储煤筒仓瓦斯无线监测系统的研究与应用

张莫南，崔建文

(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

储煤筒仓瓦斯无线监测系统的研究与应用

张莫南，崔建文

(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

阐述了无线监测技术的特点及其应用方法，提出了基于无线监测技术的储煤筒仓瓦斯监测系统的构建方法，设计出基于ZigBee的瓦斯无线监测系统。介绍了该系统的硬件实现、软件设计、技术特点，并分析了其应用情况和发展前景。瓦斯无线监测系统投入使用后，实现了对储煤筒仓可燃气体的有效监测，且其功耗低，易于安装和维护，可扩展性强，对其他同类用户的监测系统升级改造具有较好的参考价值。

单片机；ZigBee协议；储煤筒仓；无线监测

储煤筒仓广泛用于火力发电厂、钢铁厂、焦化厂、煤炭转运站等场所，但筒仓储煤过程中存在危险因素。如果煤炭长期在筒仓内存放，煤炭温度和瓦斯浓度就会升高，当温度、浓度达到极限时，极有可能引发自燃甚至爆炸等重大生产事故[1]。实际生产过程中，可通过对筒仓的重要工程参数(如温度、湿度、瓦斯浓度、烟雾浓度)监测、分析，及时对出现的异常情况采取正确的应对措施，确保其安全运行。现有储煤筒仓监测系统以检测、集中控制居多，存在现场控制总线结构复杂、维护升级困难等弊端，新建筒仓共用原监测网络时的改造难度也很大。

基于无线通信技术开发的储煤筒仓瓦斯监测系统，可对筒仓内煤炭温度、瓦斯浓度实时检测，并将检测信号和超声波料位计输出信号一并上传至生产监控中心，实现对温度、浓度的及时和快速调控，有效地解决目前储煤筒仓使用管理中存在的安全问题。综合无线通信系统的工业应用实例，提出以Zigbee协议为基础，设计储煤筒仓瓦斯监测系统的无线通信架构，开发出瓦斯无线监测网络的传感器和协调器节点，构建低能耗、高可靠性的无线数据传输系统。

1 无线监测技术简介

国内外许多企业在远程测控系统的开发和应用研究上一直进行着不懈地努力，尤其是随着无线通信技术的不断革新，无线监测系统的应用得到普遍认可。随着现代通信技术与控制技术的迅猛发展，无线监测系统相对于有线监测系统突显出巨大的应用活力[2]。工业无线测控技术将是继现场总线之后控制系统领域的热点应用技术之一，将使工业测控系统的建设成本进一步下降，应用范围更加广泛。

基于ZigBee的无线通信模块无需考虑节点的能量损耗，其与传感器技术、嵌入式技术等结合后，可组成实用价值非常高的无线监测系统[3]。基于ZigBee的无线监测系统的推广、应用空间广阔，将会使一些产业系统的升级改造成本大大降低，具有良好的经济效益[4]。ZigBee协议栈结构紧凑，所需硬件资源相对较小，具体需求可概括为八位微处理器、完整的协议栈、约6 kB的子节点堆栈、协调器外扩随机存储器。完整的ZigBee协议栈体系结构示意图如图1所示。

图1 ZigBee协议栈体系结构示意图Fig.1 Structure diagram of ZigBee protocol stack

2 储煤筒仓瓦斯无线监测系统

2.1 系统硬件实现

根据监测点的类型和分布情况，构建星型拓扑结构的瓦斯无线监测网络，包含用于储煤筒仓工程参数监测的传感器节点和实现无线数据传输的协调器节点[5-6]。由传感器节点将实时监测数据传输至协调器节点，再通过RS485数据线传送至上位机。储煤筒仓瓦斯数据监测的无线传输系统硬件结构示意图如图2所示。

采用PIC18F4620单片机和CC2420 2.4 GHz无线收发器分别开发储煤筒仓监测传感器节点和Zigbee网络协调器节点，传感器节点用于接收上位机的问询指令，基于ZigBee协议将监测信息实时以无线通信方式传输至网络协调器节点，再通过RS-485串行总线传输给上位机。PIC18F4620单片机具有存储ZigBee协议栈和用户应用程序的存储器。系统中的远程监测传感器节点由上述单片机、电信号变换电路、CC2420 2.4 GHz无线收发器构成，网络协调器节点也由相同的单片机、无线收发器、串行数据通信电平转换芯片构成。

系统中的网络协调器节点通过无线收发器接收2.4 GHz信号并将其解调，进而得到监测传感器模块发送过来的监测数据，再将监测数据发送给协调器端的单片机模块，该模块对接收到的数据进行处理，再通过RS485串行通信接口端上传给监控上位机。

2.2 系统软件设计

储煤筒仓瓦斯无线监测系统的软件设计包括两部分，即上位机人/机接口软件设计，监测传感器与网络协调器节点的无线通信模块设计。

2.2.1 人/机接口软件设计

采用昆仑通态组态软件，通过MODBUS通信协议，开发上位机人/机接口软件，具体包括实时显示系统各测量节点的通信状态(界面按钮的明暗)，筒仓料位数据和原料进出状态，使监测人员能够直观地观察筒仓监测数据传输系统的实时工况。储煤筒仓瓦斯无线监测系统人/机接口界面如图3所示。

开发Zigbee协议栈对应的应用层程序时，采用MPLAB IDE集成开发环境，开发无线通信模块的应用软件，实现监测传感器节点与网络协调器节点的无线数据传输。为降低监测系统功耗，设计中采用需求唤醒模式，设定间隔时间，再由监测传感器采集所需的监测数据，经分析处理后发送至协调器节点；协调器节点的应用程序设计主要以实现对测量数据的接收、处理，并向上位机人/机接口软件传送为主，最终实现对储煤筒仓数据的实时监测和及时调控。

图3 储煤筒仓瓦斯无线监测系统人/机接口界面Fig.3 The interface of gas wireless monitoring system for coal storage silo

2.2.2 无线通信模块设计

监测传感器模块的软件程序可实现0～5 V电信号到监测数据的转化，通过设置中断，处理采集数据，数据经处理后，调用ZigBee协议栈函数将其通过2.4 GHz无线模块发送至协调器节点。传感器节点模块应用程序流程如图4所示。

图4 传感器节点模块应用程序流程Fig.4 Module application program of sensor node

网络协调器节点要完成系统星型网络的构建、监测数据的接收，并将其输送给上位机等。具体实现时，主程序循环扫描中断位置相应标志，并在主函数中判断标志，再做出相应的处理安排，如接收到的测量数据，利用ZigBee协议栈函数对接收数据组织、处理后，再通过通用串行接口通信程序向上位机监测程序传送测量数据。网络协调器节点控制流程如图5所示。

图5 网络协调器节点控制流程Fig.5 Node control process of network coordinator

2.3 技术特点

储煤筒仓瓦斯无线监测系统具有如下技术特点：

(1)基于Zigbee协议的无线监测系统实现了对储煤筒仓的远程监测，合理解决了有线监测系统存在的技术弊端，对筒仓内相关工程参数的实时检测和调控具有较高的应用价值。

(2)采用通用组态软件—昆仑通态开发上位机人/机接口软件，缩短了系统的设计开发周期，有效地利用了工控系统开发工具。

(3)续航能力是无线监测系统的重要工作指标，将系统各无线通信节点设计成需求唤醒工作模式，有效降低了系统功耗。经测算，该模式下系统各无线通信节点的能耗降幅在40%以上。

3 应用与发展

根据上述软硬件设计方法制作的原型机，已在沈煤集团鸡西碱厂矿热电厂通过现场测试，并取得了较好的试验效果，实现了对储煤筒仓瓦斯的实时、无线监测，可有效保证其安全运行。现场试验结果表明，该系统具有功耗低，可扩展性强，易于安装和维护，人/机接口软件界面可视化强等优点，对于其他同类用户的监测系统升级改造具有很好的参考价值。

储煤筒仓瓦斯无线监测系统的无线通信系统采用拓扑结构和需求唤醒通信方式，极大地降低了现场监测传感器节点的功耗，也有效减少了传感器节点与网络协调器节点间的数据传输冲突，对该技术的工程应用实践提供了较好的探索，为ZigBee协议套件产品的不断研发和推广提供了有力的佐证。ZigBee 技术发展、应用前景广阔，基于ZigBee的无线监测系统将会得到更广泛的应用。

[1] 刘 何.国投新集二矿选煤厂原煤生产集中控制系统升级改造实践[J].煤矿机械，2012(10).

[2] 彭忠全.基于Zigbee的无线测控系统的设计与实现[D].赣州：江西理工大学，2011.

[3] 兰建军,李 宇,黄俊峰.基于Zigbee的无线测控系统设计[J].仪表技术，2009(8)：12-14.

[4] 何飞舟，杨铁夫，刘 桥.基于ZigBee的无线传感器网络及其在交通信息领域中的应用[J].无线互联技术，2010(2)：134-136.

[5] 闻 武.ZigBee协议在储煤筒仓监测系统中的应用[J].选煤技术，2011(3)：64-66.

[6] 赵 芸，张 浩，彭道刚.ZigBee无线网络技术的应用[J].机电一体化，2007(4)：54-56.

Research and application of gas wireless monitoring system of coal storage silo

ZHANG Mo-nan,CUI Jian-wen

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin, Heilongjiang 150001, China)

The characteristics of wireless monitoring technology and its application are explained, designed wireless monitoring system for gas by ZigBee, with a proposal for building coal storage silo monitoring system by wireless monitoring technology, and then introduced hardware implementation, software design, technical features of this system as well as analyzed its use and development prospect.The application shows that combustible gas in coal storage silo can be monitored effectively by this system that is easy to install and maintain, with low power.It is better to upgrading same other monitoring system for reference.

microcontroller; ZigBee protocol; wireless monitoring; coal storage bunker

1001-3571(2015)03-0074-04

TD948.9

A

2015-01-15

10.16447/j.cnki.cpt.2015.03.021

张莫南(1993—)，男，河北省唐山市人，从事测控技术与仪器研究。

E-mail：zhang_monan@qq.com Tel: 15133955055