基于CC2530的胶带运输机无线监测系统的设计研究

(华北科技学院 北京 101601)

前言

现代胶带运输机设备特别大型胶带运输机设备日益朝着高效率、高精度、高集成度和现代化、大型化、自动化、网络化等方向发展,导致胶带运输机运行性能和结构复杂程度的不断提高。对煤炭行业，设备的运行成本及维护成本较高，这就要求在提高其可靠性和产能的同时，增加故障维修间隔时间。要达到这些要求，以便早期发现胶带运输机运行元件、传感器和执行机构的故障。因此，对胶带运输机监测监控系统的研究是非常必要的。

传统的胶带运输机监测方式都是以有线的通信方式传输信号的。对于煤矿等比较复杂的工作环境，存在布线困难等问题[5]。针对传这一情况，本文设计了基于CC2530 的ZigBee无线监测系统，实现对胶带运输机运行状态的实时无线监测。

一、系统工作原理

胶带运输机监测系统主要包括数据采集模块、通信模块和显示模块，胶带运输机结构图如图1所示[3]。数据采集模块和通信模块均基于CC2530设计，基于CC2530分别构建ZigBee数据采集子节点和协调器节点。数据采集子节点传感器采集到胶带运输机运行参数数据后，经CC2530自带A/D转换模块将采集到的模拟信号转换成数字信号，然后由协调器建立网络，子节点加入网络形成自组网，实现数据的无线通信。子节点将数字信号分两路传输，一路直接发送给现场液晶显示模块，使得现场工作人员可以直观的观察胶带运输机运行状态，另一路经节点无线收发模块将信号发送给协调器节点。协调器节点接收信号，将数据经串口传输给PC端，使远程监控中心的工作人员也可以随时掌握胶带运输机运行状态[4]。

图1 胶带输送机结构布局图

带式输送机主要由驱动装置，输送辊，带子，返回辊，机架，张紧装置和改向辊等组成。

1.部分为驱动部分：采矿运输专用交流运输电机、齿轮箱、驱动辊等，为采矿专用胶带或皮带输送机作业提供牵引力。

2.部分为承载托辊部分：在胶带或皮带输送机作业运输煤矿的同时，减小胶带输送机工作作业时的阻碍大小。

3.部分为胶带部分：由胶带或皮带与驱动滚筒两者中间的大的摩擦力使得的胶带或皮带运输煤矿时转动工作。

4.为回程托辊。

5.为机架。

6.部分为张紧部分：它确保了磁带具有足够的张力，以便运输带和驱动辊之间有足够的摩擦力以确保运输带具有一定的下垂度。

为了保证胶带运输机的稳定和有效率，必须在生产工作作业中安装带式输送机的监控系统，实现带式输送机的状态监测和故障保护。现有的带式输送机监控系统可实现对带式输送机工作电流、环境温度、胶带跑偏、胶带堆煤、是否有火灾等工作状况的监测。

二、系统硬件设计

胶带运输机监测系统由上位机监控界面和胶带运输机网络节点两部分组成[2]。上位机监控界面由PC端与协调器通过串口相连。系统中，胶带运输机监测子节点由电压电流检测模块、跑偏检测模块、烟雾检测模块、温度检测模块和无线通信模块五部分组成。

(一)主控芯片

系统主控芯片为TI公司生产的CC2530，它是用于2.4-GHz?IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本:CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

(二)电压检测模块

电压的检测选用电压互感器LCTV31CE，此型号传感器为电流型电压互感器，属微型精密电压变换器，可采集交流电压，隔离能力强，安全可靠。输入侧电阻限流使得到2mA的输入电流，LCTV31CE输出与输入侧同大小的电流，经整流滤波后输入CC2530的P04、P05、P06引脚进行A/D转换。

(三)电流检测模块

电流参数的测量，选用的霍尔传感器ACS712，霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场，通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小[1]。从ACS712 的内部框图与封装解剖图可以看出，原边电流只是从芯片内部流过，与副边电路并没有接触，原边与副边是隔离的，因为封装小，所以ACS712 的隔离电压为2100V。因为电流的流过会产生一个磁场，霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、与斩波电路，输出一个电压信号。经分压滤波后，输入到CC2530的P01、P02、P03引脚进行A/D转换。

(四)温度检测模块

温度检测选用DS18B20数字温度传感器，它可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息，仅需要一根口线(单线接口)。DS18B20提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。使用时也可将其粘贴或埋置在胶带运输机绕组部位，测量其局部温度。

(五)烟雾检测模块

MQ-N10型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。处于200～300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。

(六)液晶显示模块

采用OLED显示模块，oled显示屏是有机电激发光二极管同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易彩色化、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单、可制作成挠曲式面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。

图2 子节点软件流程图

图3 协调节点软件流程图

三、系统软件设计

软件设计包括上位机监控界面软件设计、协调节点软件设计和子节点软件设计三部分。子节点负责与协调节点建立网络，将采集到的胶带运输机数据经无线模块发送给协调节点。程序流程图如图2所示。协调节点管理网络，接受子节点发送过来的数据，处理后经串口将其发送给PC监控端。程序流程图如图3所示。

四、结语

该系统结合现场应用条件，以一台中小功率型胶带运输机为研究对象，以TI公司的CC2530为核心设计无线传感节点，并针对胶带运输机运行过程中的电压、电流、温度、烟雾几个重要参数，分别采用电流型电压互感器LCTV31CE、电流传感器ACS712、温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-N10采集数据，实现了对胶带运输机运行状态的实时监测，具有工作稳定可靠、无线通信灵活、使用方便等特点，可广泛应用于各领域胶带运输机运行状态在线监测。