ZigBee无线网络在综采支架液压监测中的高可靠性优化设计*

2017-11-03王换换王晓荣

电子器件 2017年5期

关键词：路由信道液压

王换换,王晓荣,刘超,王翔

(南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京 211816)

ZigBee无线网络在综采支架液压监测中的高可靠性优化设计*

王换换,王晓荣*,刘超,王翔

(南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京 211816)

基于ZigBee无线网络原理,对综采支架液压监测系统进行无线通信优化设计。主要内容包含系统总体设计、动态自发式通信机制设计、中心访问式通信机制设计。通过测试,动态自发式通信机制在数据传输实时性方面效果优异,最大巡检周期低于5 s,中心访问式通信机制通信稳定,通信误码率低于10-8,适合在复杂矿下环境使用。

液压监测;ZigBee;通信机制;可靠性;实时性

ZigBee技术是一种无线通信技术,具有低功耗、低速率、带路由功能等特点。它是ZigBee联盟(ZigBee Alliance)主导制定的无线传感器网络标准,采用IEEE802.15.4作为物理层和MAC层标准。可以在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3个频段上工作,传输速率分别为20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s,传输距离在10 m～150 m之间,但每个网络节点之间的通信距离可以从150 mm继续扩展。

矿井下各种工作机械发出的电磁干扰,会对采用其他无线通信技术的产品正常通信造成极大的干扰,导致工作异常,这种异常情况在矿井下是极其危险的。通过对矿井环境实地勘察,综合比较产品成本、产品适用性、开发难易程度等因素,发现使用ZigBee数据传输方案比其他几种无线数据传输方式更适合在矿井下工作。

1 ZigBee无线通信技术

1.1 无线通信方式的分析

短距离无线通信技术是指在几十米距离范围内传输信息的无线通信技术,伴随通信技术的发展,短距离无线通信技术得到了飞跃式进步,其应用领域也不断增加。经过多年的发展,形成了一系列完备的无线通信协议和产品[21]。由于矿井下工作环境复杂,条件受限,所以综采支架液压监测系统对无线通信的要求具有一定的特殊性,除了防尘、防水、防震和防爆功能之外,还要具有抗电磁干扰等特点。

1.2 ZigBee技术的特点

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术,在无线通信方面优势明显,已经成为无线传感器网络中最具潜力和研究价值的技术。ZigBee技术具有以下几个特点:

(1)低功耗

ZigBee节点在工作环境中,依靠两节干电池就可维持使用半年到12个月。主要原因是采用了合适的能量管理策略,节点在工作周期内尽可能多地进入睡眠状态,减少空闲监听时间。节点各单元耗能情况如图1所示。

图1 节点各单元耗能情况

(2)低成本

ZigBee工作在工业科学医疗(ISM)频段,并且2.4 GHz是全球覆盖的免执照频段。另外,ZigBee协议无需协议专利费。

(3)安全

ZigBee采用AES-128高级加密算法来保护数据载荷和防止攻击者冒充合法设备。加密后的数据无法被恶意侦听,从而阻止外部攻击。

(4)近距离

ZigBee节点设备间直接通信距离通常为10 m～100 m。但是可以通过网络路由和节点多跳接力的方式,传输距离可以更远。

1.3 信道分配和编码

ZigBee有3个工作频段,每一频段宽度不同,其分配信道的个数不相同。在IEEE802.15.4中,总共分配了27个具有3种速率的信道:2.4 GHz频段有16个速率为250 kbit/s的信道;915 MHz频段有10个40 bit/s的信道;868 MHz频段有1个20 bit/s的信道。这些信道的中心频率定义如下:

Fc=868.3 MHz(k=0)

(1)

Fc=906 MHz+2(k-1)MHz (k=1,…,10)

(2)

Fc=2 405 MHz+5(k-11)MHz (k=11,…,26)

(3)

式中:k是信道编号,可以根据信道的可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。

2 液压监测系统总体设计

2.1 系统设计原则

矿井顶板的基本结构如图2所示,矿井总体上可以分为3层,顶层一般称作老顶,中间层称为直接顶,最下面是煤层。对矿井顶板压力进行监测,主要方案是监测分布在工作面内的各个综采支架液压数值,把综采支架所能承担的安全液压值设定一个阈值,当液压超过这个阈值的时候及时报警。

图2 煤矿井下顶板结构图

2.2 系统整体架构

综采支架液压监测系统主要分两个部分,一是路由节点,二是汇聚节点,监测系统架构如图3所示,路由节点安装在液压支架上,对其前支柱、后支柱、前身梁3点的液压值进行采集,多台路由节点分布组成一个以汇聚节点为中心的网络,可以向汇聚节点无线传输信息,同一个网络中的路由节点相互中转传递信息;汇聚节点主要负责将路由节点利用无线传输上来的信息通过光纤传输方式送达上位机终端,这样就实现了数据采集到数据上传,可方便后期对液压值情况的研究分析和预测。每个汇聚节点最大支持30台路由节点,如果工作区域面积大,则增加汇聚节点数量。

图3 监测系统架构

2.3 电源系统电路

当220 V的交流电压经过线性共模滤波器后,由整流、滤波、逆变再经一轮整流、滤波就得到了系统要求的5 V直流稳定电源。然后再经过稳压芯片将该电压转换为各模块所需的电源。处理器及外设恒压源电路如图4所示。

图4 处理器及外设恒压电路

2.4 ZigBee无线射频模块

综采支架液压监测系统采用ZigBee无线通信技术,选用以STM32W108为核心的ZigBee射频模块REX3SP。

REX3SP模块中主要分为系统通用部分和射频部分。通用部分包含了24个普通的GPIO口、6路模拟输入通道、4个中断;USART带硬件流控制,多种接口如SPI接口、TWI接口等。无线模块如图5所示。

图5 无线模块图

无线模块左侧是发射通路,右侧为接收通路。对于接收通路,这不仅仅是一个相对发送的反向过程,中间需要更多的信号处理。

图6 路由节点结构图

2.5 路由节点

路由节点主要负责数据的采集、处理、存储,然后按照设计的通信机制发送给汇聚节点,或者为其他路由节点来进行数据的中转。图6是路由节点的结构图。

路由节点上电后,首先需要对各模块进行初始化,配置模块状态。然后开启无线模块,访问各个通道(16个通道,2405 MHz～2480 MHz)搜索网络并申请加入,当有网络应答时就可以准备采集数据了。

图7 传感器恒压源

2.6 传感器供电电路

使用3.3 V恒压源为传感器供电,传感器恒压源如图7所示。路由节点以固定周期来采集综采支架液压数据,为了在空闲时降低功耗,需要停止对压力传感器供电,此处的P型MOS管就是用来控制稳压芯片S-1206B33电源的开与关。

因为AD放大器采用差分放大模式,所以需要负电压,选用ICL7660极性反转电源转换器,将传感器的3.3 V电源转换为-3.3 V,外围电路如图7所示。

3 动态自发式通信机制的设计与实现

汇聚节点采取定时器判断的方法,当第1个数据过来时启动定时器,定时时间为10 ms,如果第2个数据过来就复位定时器重新计数,如果一帧数据都传完了,那么在接收到最后一个数据后,定时器能够到达10 ms的定时,这代表一帧数据接收完成,此时关闭定时器并向主函数发一封邮件,告知一帧数据接收完成可以处理了。动态自发式通信机制将串口接收、定时器、邮件收发几个功能结合在一起,保证时间上几乎零等待,自主判断执行状态。具体实现代码流程如图8所示。

图8 数据接收流程图

4 中心访问式通信机制的设计与实现

当网络组建成功后,路由节点以广播模式发送握手帧搜寻汇聚节点,当汇聚节点收到握手请求后根据对应编号分配缓存区,并回应握手成功帧。若路由节点接收到握手成功帧后,进入访问监听模式等待指令,自此表明路由节点连接认证成功。若没有接收到握手成功帧,则继续发送握手帧搜寻汇聚节点。根据握手情况,汇聚节点判断是否所有路由节点均已连接认证成功,如果还有未连接节点,依然等待接收握手帧,同时依次访问所有已加入节点,接收数据并反馈,此过程不断循环。

使用MAC库设计网络交互主要包括3个方面内容:网络形成、加入网络、离开网络。形成网络的一般是由汇聚节点(Sink)发起的,而加入网络针对的是路由节点。首先要做的就是初始化,其内容包括:初始化HAL层、播种随机数生成器、使能中断、初始化串口通信信道、执行无线电初始化和校准。

5 测试分析和总结

5.1 通信距离测试

为了验证无线传输方案的可行性,搭建了一个简易的组网环境进行传输距离测试。通信距离测试使用1个汇聚节点和7个路由节点(节点1～7),利用周围的校园环境组成ZigBee无线通信网络。节点方位布局如图9所示。

图9 无线节点方位布局

通过实验发现空旷条件下,100 m及以内无线通信能实现无丢包传输,通信距离在100 m～130 m时丢包率低于5%。能够满足系统设计要求。

5.2 通信稳定性测试

使用上位机软件读取汇聚节点接收存储的压力数据,将压力数据导入Origin软件绘制的图形如图10所示。

图10 压力采集数据曲线

实验采集到的压力值为26.4 MPa,与此时的压力表校验器上显示的数值一致,且每天中午12点记录的压力值与采集到的压力值是吻合的。

5.3 通信误码率测试

误码率测试软件产生随机数0～255,以十六进制形式发送至汇聚节点;汇聚节点及时将收到数据通过ZigBee发送给路由节点;路由节点成功接收数据后,立即将收到的全部数据返回至汇聚节点,再传至上位机。上位机统计发送、接收的次数,并把接收的数据与发出去的数据做比较,统计接收数据与原发出数据的相同(正确)、不同(错误)的数据个数,同时对接收数据按位比较,统计正确、错误的位数,如图11所示。

图11 误码率测试结果

实验表明,中心访问式通信机制在长时间工作过程中通信良好,断线重连功能满足需求,稳定性经得住考验。

图12 示波器波形图

5.4 通信实时性测试

使用1个汇聚节点和30个路由节点运行动态自发式通信机制,组成测试系统。从图12可以看到,路由节点发送完报警信息后,汇聚节点及时进行响应反馈,间隔时间大约为50 ms。

实验表明,动态自发式通信机制在报警信息延迟处理方面表现优异,达到系统要求。

6 总结

本文对矿下通信机制的实时性和可靠性进行了分析和研究,主要介绍了通信机制的工作过程,通过硬件搭建和软件实现,以及对各项关键性能进行测试,针对运行效果进行了一定的分析。本文虽然是针对现有综采支架液压监测系统在无线传输方面的不足进行了改进,也通过了一系列的模拟实验测试,但是由于煤矿复杂、危险的环境应用场合,还是需要更加实际的测试条件和更严格的测试标准。

[1] 吕志强. 煤矿井下通信系统的现状及趋势[J]. 中国煤炭,2014(9):89-92.

[2] 王立飞.基于Zigbee和以太网技术的巷道顶板离层数据在线监测系统设计[J]. 电子器件,2016,39(1):205-210.

[3] 闫晓丽. 浅析我国煤炭企业的竞争与发展战略[J]. 时代经贸,2013,23:60.

[4] 孙正凤,井娥林,窦如凤. 基于改进Zigbee路由算法的智能家居控制系统[J]. 电子器件,2016,39(1):199-204.

[5] Wang Chen-hai,Wu Tai-hu. Short Rang Radio Communication to Medical Monitoring System[J]. Chinese Medical Equipment Journal,2008(1):34-35.

[6] 吕雪婷. 面向煤矿顶板安全评价的信息融合方法研究[D]. 青岛:山东科技大学,2012.

[7] 佟利. 采煤工作面上端头冒顶的探讨[J]. 黑龙江科技信息,2013(3):74.

[8] 高金转. 基于Zigbee无线传感网络的环境监测系统的设计[J]. 电子器件,2016,39(3):546-550.

[9] 张涛. 漏泄电缆无线通信系统在地下矿山的应用与研究[J]. 现代矿业,2009(3):58-60.

HighReliabilityOptimizationDesignofZigbeeWirelessNetworkinHydraulicMonitoringofFullyMechanizedMiningSupport*

WANGHuanhuan,WANGXiaorong*,LIUChao,WANGXiang

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

Based on ZigBee wireless network principle,the wireless communication design of hydraulic monitoring system is optimized. The main contents contain the overall system design,dynamic spontaneous communication mechanism design and polling communication mechanism design. After experiments,the dynamic spontaneous communication mechanism in real-time data transmission effect is excellent,the maximum inspection period is less than 5 s,polling communication mechanism is stable,communication error rate is less than 10-8,which is suitable for use in the undermining complex environment.

hydraulic monitoring;ZigBee;communication mechanism;reliability;instantaneity

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.043

项目来源:青岛本末岩控有限公司产品研发项目

2016-07-12修改日期2016-09-21

TN911

1005-9490(2017)05-1278-05