基于Zigbee的煤矿井下三相异步电机无线监控系统研究

保 慧，梁海峰

（江苏工程职业技术学院机电工程学院，江苏南通 226006）

基于Zigbee的煤矿井下三相异步电机无线监控系统研究

保 慧，梁海峰

（江苏工程职业技术学院机电工程学院，江苏南通 226006）

采用TI公司的CC2530芯片将三相异步电动机监控点设计成无线节点，实时采集电机的电压、电流参数，并经过功率计算，通过Zigbee网络将数据传送给监控计算机，实现煤矿电机的实时监控，确保电机的正常运行。

Zigbee；三相异步电机；无线监控；CC2530

0 前言

近几年，随着国民经济的快速发展和基础设施建设步伐的加快，能源需求增长加速，煤炭产量也迅速增长，煤矿生产最重要的问题之一便是安全问题[1]。三相异步电机作为煤矿企业生产的重要电气设备，被广泛应用在煤矿生产的各个环节，不可避免地会发生故障，对煤矿生产安全运行蕴藏潜在的威胁。因此，实现煤矿三相异步电机的实时监控，及时准确地掌握煤矿三相异步电机的运作状态，确保其安全运行，具有十分重要的意义[2]。

1 系统工作原理

Zigbee无线传感器网络由分布式传感器节点、路由节点、协调器节点组成，基于Zigbee的煤矿三相异步电机无线监控系统如图1所示，电机网络节点通过传感器完成煤矿三相异步电机的电压、电流参数的测定，并经过功率计算，将测得的数据通过Zigbee网络传送给协调器，同时根据协调器发来的指令实现对电机的控制。Zigbee网络的协调器通过串口和用户监控中心进行通信，将采集到的电机的参数数据传送给监控计算机，同时接受监控计算机的控制指令，并通过Zigbee网络把质量发给相应的电机网络节点，从而实现煤矿电机功率的实时监控。

图1 煤矿三相异步电机无线监控系统结构图

2 硬件设计

煤矿井下三相异步电机无线监控系统硬件部分主要由上位机主站和异步电机网络节点两部分组成。上位机主站是由一台工控机或个人电脑与协调器通过串口相连；异步电机网络节点则是由测量异步电机参数的传单元、电源模块、微处理器、继电器模块和通信模块组成。

异步电动机网络节点结构框图如图2所示，用内置精确的低偏置线性霍尔电流传感器ACS712进行相电流采集；利用磁补偿原理、在电气上高度绝缘的霍尔电压传感器HNV-025A进行相电压采集，两者采集的信号经信号调理电路处理后通过A/D转换后送给微处理器；利用感应线圈测量转子频率测量电机的转差率，从而根据异步电机能流图计算出电机功率；无线射频模块负责与协调器的通信，发送电机的参数，并接受电机的控制命令；继电器模块实现对电机的通断控制。

图2 异步电动机网络节点结构框图

微处理器选用TI公司的CC2530单片机，采用增强型8051MCU，支持IEEE 802.15.4协议[3]。该芯片硬件方面，内部自带ADC，集成高性能的RF收发器及出色的低功耗功能。

图3 天线匹配电路图

由于矿井下数据传播路径会遇到阻隔，所以CC2530无线射频模块选用外接型鞭状天线增强信号的强度。无线RF模块电路选用无巴伦的匹配电路，天线匹配电路如图3所示，电路中C18、C19、C20、C21、C22、L2和 L3的阻抗相匹配，满足射频模块输入/输出阻抗为50 Ω的匹配要求。

由于常用的电源电压为5 V，而CC2530的工作电压为3.3 V，选用NCV1117ST33T3G芯片，它是一款低压降可调稳压芯片，可以把输出电压调整到3.3 V，电源电路原理如图4所示。

图4 电源电路原理图

协调器硬件设计和异步电动机网络节点类似，也是选择CC2530为控制芯片的无线射频单元与其他节点通过Zigbee网络进行数据通信，而工控机和CC2530通过串口进行数据通信。

3 系统软件设计

软件设计包括上位机监控软件设计、协调器软件设计及异步电动机网络节点软件设计三部分。上位机监控软件设计包括监控界面的设计及数据库设计，监控界面查看三相异步电机的各种参数及运行情况，数据库存储三相异步电机运行参数。协调器主要负责管理整个无线网络，检查整个网络中各个节点连接运行情况，接收各节点传来的电机参数数据并送给工控机，同时接收工控机控制指令并发送给相应的节点，程序流程图如图5所示；异步电动机网络节点负责采集电机参数信息并将数据转送给协调器，主要负责与协调器建立网络、接收控制指令、发送数据参数并计算电机的功率，程序流程图如图6所示。

图5 协调器程序流程图

图6 网络节点程序流程图

4 结语

本文采用CC2530为主控芯片的设计异步电动机监控无线节点，构建基于Zigbee的无线监控网络，实现了对煤矿井下三相异步电动机的无线监控。实验结果表明：本系统运行稳定，能够实时采集电机的电压、电流参数，并经过功率计算，实现煤矿电机功率的实时监控，确保电机的正常运行。

［1］韩涛，黄友锐，曲立国.基于Zigbee的煤矿风机无线监控系统研究［J］.煤矿机械，2014，35（1）：218-220.

［2］惠阳，曹现刚，张怀珠.基于XC164CS单片机的煤矿三相异步电机功率监控系统［J］.煤矿机械，2014，35（1）：194-196.

［3］ 龚文超，吴猛猛，刘双双.基于CC2530的无线监控系统设计与实现［J］.电子测量技术，2012（6）：33-36.

Wireless Monitoring System of Three-Phase Asynchronous Motor Based on Zigbee in Mine

BAO Hui，LIANG Hai-feng
（School of Mechanical Engineering of Jiangsu College of Engineering and Technology，Nantong221006，China）

The three-phase asynchronous motor monitoring points using CC2530 of TI designed wireless nodes.The wireless nodes form a wireless network by Zigbee technology.So，the wireless monitoring system of three-phase asynchronous motor in mine is completed.The system is capable of real-time acquisition of the motor voltage and current parameters，and the real-time monitoring of coal mine motor power after power calculation，to ensure the normal operation of the motor.

Zigbee；three-phase asynchronous motor；wireless communication；CC2530

TM343.2

：A

：1009－9492(2014)12－0207－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.053

保 慧，女，1978年生，江苏南通人，硕士，讲师。研究领域：机电一体化技术。已发表论文5篇。

(编辑：王智圣)

2014－06－25