矿用胶带机过程监控系统的无线传感器网络研究设计

2013-11-06周建中徐军霞顾寄南谢娟娟

机械设计与制造工程 2013年6期

周建中，王雷，徐军霞，顾寄南，杨治，谢娟娟

(1.镇江中煤电子有限公司，江苏镇江 212016)

(2.江苏大学机械学院，江苏镇江 212013)

在煤矿和水泥等行业的运输系统中，长距离带式输送机占据着很重要的地位。长距离带式输送机通常带有中间驱动的电气设备及保护传感器，比较分散且相距较远。为保证输送机可靠运行，关键要解决胶带机各保护设备之间的数据交换和传输问题。目前我国普遍采用的矿山环境检测系统都是以工业总线为基础，这些线路都要由专业人员建立和维护。这些监控系统的不足之处:线通信方式布线复杂，网络结构相对固定，不适合动态变化的要求;检测参数单一，不能满足实际需求;长距离通讯使得信号衰减严重。这些问题使有线控制网络越来越不适应矿山检测和控制领域。近年来无线通信技术得到了迅速的发展，无线传感器网络也正迅速地发展并逐渐走向成熟。本文以矿用带式输送机为例，介绍了基于Zigbee技术的矿用皮带机监控系统的无线传感器网络，实现了井下皮带机生产信息的无线通信。

1 系统概述

无线传感器网络系统总体结构如图1所示。主要包括Zigbee检测节点、Zigbee路由节点、Zigbee网络协调器3个部分。在系统中每个Zigbee检测节点不仅负责采集皮带机的生产状态参数，还负责转发其他节点采集的数据，把这些数据通过射频收发模块发送给相应的Zigbee路由节点，Zigbee路由节点经过多跳的方式将数据包发送给Zigbee网络协调器，Zigbee网络协调器上配置工业以太网卡，对所发送来的节点数据，经过分析处理后通过工业以太网进行通信并将数据发送给监控中心，实现数据的共享和远程监控。

图1 无线传感器网络系统总体结构图

系统中各个Zigbee 检测节点之间通信距离比较短并且是完全的对等通信，每个Zigbee检测节点都要求与其无线范围内的其他节点通信[1]。因此，基于Zigbee的无线传感器网络采用网状网络结构，在这种结构中，系统可以按照需求动态变化，易于实现系统的扩展和优化，在网状拓扑网络中，每个路由节点都具有重新路由选择的能力，这样可以防止某个中间节点由于中断而造成网络瘫痪的情况，有很强的可靠性和环境适应能力。

2 系统的硬件设计

2.1 硬件总体设计

2.1.1 Zigbee检测节点的整体架构

应用于胶带机过程监控系统的无线传感器网络由许多功能相同或不同的无线传感器节点组成。Zigbee检测节点是由处理器、外部数据存储模块、射频收发模块、电源模块、数据采集模块组成，其内部连接关系如图2所示。通常数据采集节点的布置方式、定位方法、通信手段往往是相同的，那么造成节点的感知能力的差异，也只有节点连接了不同类型的传感器或数据采集设备这一因素了[2]。

皮带机检测系统节点的射频收发模块采用的是ChipconCC2430无线射频芯片，该芯片的低速率以及低功耗等特性特别适用于本系统，以上两种芯片通过SPI总线相连接，MAC层负责协议栈运行，RF射频收发模块负责无线通信。

图2 Zigbee检测节点内部结构图

2.1.2 Zigbee路由节点的整体架构

皮带机过程保护监控系统中的Zigbee网络路由节点是由微处理器TMS320LF2406A、外部数据存储模块、射频收发模块、电源模块组成，其内部连接关系如图3所示。

图3 Zigbee路由节点内部结构图

2.1.3 Zigbee网络协调器的整体架构

Zigbee网络协调器是系统中的重要组成部分，一方面，它接受无线收发模块的信号，与系统中其他终端检测节点构成内部网络[3];另一方面通过工业以太网实现外部通信，担任着井下内网与井上外网之间协议转化的角色。

皮带机网络协调器部分的DSP微处理器芯片采用的是TI公司的TMS320LF2406A，该芯片具有10个A/D转换器，保证了同时可以检测多路信号以及SPI总线用于和射频收发模块的数据传输，且具有低功耗的工作模式[4]。节点的射频收发模块采用的是ChipconCC2430无线射频芯片。以上两种芯片通过SPI总线相连接，DSP负责协议栈运行，射频收发模块负责无线通信。本系统的独创之处包括:利用DSP芯片特殊的寻址方式和汇编指令用于数字信号处理，进一步减少了数字信号处理的时间。

Zigbee网络协调器的结构如图4所示，外接一个CC2430无线射频收发模块和工业以太网网卡，实现对检测节点的控制。

图4 Zigbee网络协调器的结构图

2.2 部分外围电路设计

胶带机过程监控系统的网络协调器采用DSP微处理器芯片TMS320LF2406A，其内部不具备以太网接口，需要加网卡和芯片来扩展网络接口，这里选用CS8900A网卡。为便于硬件的连接，这里选用CS8900A的I/O工作模式。以太网接口电路框图如图5所示，以太网与CPU通过数据总线、地址总线和控制总线连接。

图5 以太网接口电路框图

3 系统的软件设计

根据以上网络的总体方案，利用数据采集模块和Zigbee协议栈建立一个网络无线数据传输网络，如图6所示。首先实现网络的建立，然后从设备加入网络和网络协调器接受设备这两方面对检测节点实现入网，最后给出了网络协调器和Zigbee检测节点的程序流程，如图7所示。

图6 数据采集模块和Zigbee协议栈建立一个网络无线数据传输网络流程图

4 结束语

本文结合计算机控制技术、监控技术、故障检测技术、通信技术，开发了一种无线的皮带机过程监控系统，解决了当前煤矿胶带机监控系统中，有线网络系统的数据传输效率低、成本高、布线困难、不便于拓展的不足，提高监控系统的准确性、实时性和可靠性。同时，该研究成果具有重要的研究意义和良好的应用前景，对其他企业也有良好的参考价值。