基于ZigBee和GPRS融合的矿井提升设备状态监测系统设计

丁江江 李娟莉,3 王学文

(1.太原理工大学机械工程学院，山西省太原市，030024；2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西省太原市，030024;3.山西焦煤集团有限责任公司博士后科研工作站，山西省太原市，030024)

1 引言

目前，常见的矿井提升设备的状态监测系统是在设备的运行状态数据的监测位置放置传感器，采集提升设备运行过程中的一系列运行参数，通过现场布线的方式即利用网线将数据传输到现场的工控机对采集到的数据进行处理，并利用组态监测软件显示设备各项运行状态及异常报警，实现对设备生产和运行状态的现场监测。在实际生产中，为了保证井下人员以及生产安全，通常会将采集到的数据通过以太网实时地传输到远端数据中心，方便专业人员远程对煤矿提升设备的运行状况远程监测和设备是否良好运行的在线诊断，这些就要求组建的数据网络传输具有较高的稳定性和安全性。考虑到矿区的生产环境以及地理位置偏远等实际情况，加上煤矿生产过程中各种偶然性干扰因素也会影响甚至降低提升设备状态监测数据的传输质量和可靠性，因此矿井提升设备远程监测系统网络传输稳定性问题至关重要。

李静雅等研究人员开发了基于物联网软件体系结构的提升机监测系统通用平台，实现了矿井提升设备的状态监测与物联网技术的结合。现有的半无线或者全有线的矿井提升设备远程状态监测系统在系统框架的灵活性、简易性较差，在地理环境、生产环境的矿区搭建的难度较大，系统的数据传输稳定性和快捷性有待加强；罗回彬等研究人员采用ZigBee协议建立无线传感器网络，而且通过WiFi模块接入互联网，实现对传感器节点数据的采集；杨瑞峰等研究人员指出ZigBee组建无线网络具有低速率、低功耗、延时短、网络存储量大等优势；高宁等研究人员针对矿井提升机运行状况监测设计了一种基于ZigBee技术的无线数据采集系统，这是一种ZigBee应用在矿井提升设备状态监测近距离无线传输系统；刘生江提出了基于GPRS无线网络的矿井提升机故障监测系统的设计方案；郑洪强等研究人员采用GPRS无线通信技术与SOM神经网络信号处理技术相结合的方法；闫成志指出GPRS无线系统监测数据采集速度快、双向高效传输、并且能够智能化监控；丁鹏在电梯远程监控系统中设计了将远程与短距离无线通信相融合的通信方案，即基于ZigBee与GPRS融合的监控系统。

上述研究对本课题的研究具有重要的借鉴作用，但未实现全无线方式的远程在线实时监测系统在矿井提升设备方面的应用。本系统旨在利用ZigBee和GPRS技术实现对矿井提升设备进行全无线方式的远程状态监测，这种数据传输方式避免了煤矿现场生产环境恶劣以及有线网络传输数据的不稳定等劣势，提高了整个监测系统的可靠性，可以稳定、实时地将煤矿生产过程中矿井提升设备运行状况的各项数据传输到远端网络数据中心实现远程监测和数据高效存储，方便技术人员进一步对设备的运行状态进行评估和有效的故障诊断，对后期煤矿生产过程的提升设备保养和检修提供更加准确的指导。

2 矿井提升设备状态监测系统框架及功能设计

2.1 系统整体框架

本系统将 ZigBee 和 GPRS 技术结合起来，利用了ZigBee短距离、功耗低以及GPRS网络通信覆盖区域广的优势组建了矿井提升设备的远程状态监测系统，其整体框架如图1所示。

图1 矿井提升设备状态监测系统整体框架

现场监测站通过安装在矿井提升设备监测部位的传感器节点组成的ZigBee无线传感网络将监测数据存储于现场服务器中，之后将相关数据以系统约定的格式调至服务器串口，并通过与服务器串口相连的GPRS模块传输至远程数据中心。远程数据中心完成数据包的接收、处理、显示和存储。实时数据能够成功存储于数据中心数据库意味着整个无线传输系统的任务完成。根据系统的功能设计，确定本系统功能通过以下3个主要部分实现：现场ZigBee网络近距离监测和数据提取部分，GPRS远程无线传输部分，数据接收、后续处理及存储部分。

2.2 系统功能设计

本系统实现的主要功能为：一是利用ZigBee短程无线传感网络将矿井提升设备的各项运行数据通过无线传输的形式传送给现场的服务器；二是从现场数据库提取特征数据经由GPRS网络打包传输至远程数据中心；三是配套的软件能对传输回来的数据进行展示分析及高效率存储，并且能够对设备运行异常状态作报警指示。矿井提升设备状态监测系统功能设计流程如图2所示。

图2 矿井提升设备状态监测系统功能设计流程

3 矿井提升设备状态监测系统硬件及节点功能设计

3.1 现场传感网络节点设计

传感网络的目的是采集提升设备的各项运行数据并且能够传送给现场的服务器，将 ZigBee节点安装在需要监测的设备关键部位，各节点能够自主形成监控网络。单独的节点能够通过各类传感器采集温度、速度以及加速度等各种信号，终端节点将各类信号通过协议栈汇总发射到ZigBee网络中作为协调器一端。协调器节点通过串口通信的方式将设备运行参数信息发送给PC机确保能够通过图形化软件进行动态显示。本系统选择了WeBee团队的Zigbee模块(CC2530F256)，该模块具有高性能、低功耗的 8051 微控制器内核。该芯片在内置高性能低功耗的8051微控制器内核的基础上整合了ZigBee射频前端和内存，具有256 KB可编程闪存和8 KB的SRAM、1个通用的 16 位和1个8位定时器、高级加密协议的安全协同处理器以及21个可通用I/O引脚。另外还具有封装体积小、功耗低的优点。

3.2 GPRS网络透传节点设计

监测数据存储于工业现场服务器之后需要将其通过特定的格式打包然后利用GPRS模块通过GSM/GPRS网络传送到远程数据中心，GPRS模块主要负责数据传输，GPRS节点数据传输方式如图3所示。

现场的服务器是通过串口与GPRS模块相连的。本系统GPRS模块选择了有人物联网生产的RS232+485串口转GPRS DTU GSM，具体型号为USR-GPRS730，四频全球通用，支持GSM/GPRS网络，支持2G/3G/4G手机卡。该模块自带RS232和RS484串口，集成功能强大，配置4 KB的数据缓存，网络连接异常时可以保证缓存数据不丢失，工作模式多样(网络透传、短信透传等)，应用灵活。DTU匹配远程数据中心服务器的IP地址和端口号，利用Socket模式进行数据的传输，支持四个网络连接同时在线，支持TCP和UDP。选择GPRS网络覆盖更广的中国移动SIM卡为模块提供移动数据服务。

图3 GPRS节点数据传输方式

4 矿井提升设备状态监测系统软件设计

4.1 系统软件设计流程

整个系统的配套软件基于之前的系统框架而设计，主要包括感知层软件、网络层软件、应用层软件，感知层的软件主要功能是ZigBee节点的数据采集和处理，网络层软件的主要功能主要是ZigBee节点近距离及GPRS模块远程无线数据传输的数据发送和接收，应用层软件的主要功能是提升设备运行状态数据的存储和显示、异常报警等。矿井提升设备状态监测软件设计流程如图4所示。

图4 矿井提升设备状态监测软件设计流程

4.2 现场数据监测和数据提取

提升现场ZigBee节点组建的短距离无线传感网络的组网程序是在ZigBee协议栈下， 采用相配套的IAR软件进行编写完成的。在IAR 8.10环境下利用注释后的Z-Stack协议栈开发，方便ZigBee组网开发直接在对应的工程文件上进行修改，得到本研究需要的程序。然后将编写好的现场数据发送程序及数据接收程序对应下载到ZigBee终端节点和协调器的核心板上。ZigBee无线传感网络组建流程如图5所示。

图5 ZigBee无线传感网络组建流程

提升现场无线传感网络将各项数据传送到现场服务器的数据库中之后需要进行提取，打包传送给GPRS模块才能进行下一步的网络透传。利用VB语言编写运行数据提取软件，采用模块化设计和通用的数据库接口程序，利用了VB6.0中的ADO控件保证与SQL Sever的动态稳定连接。利用timer控件保证提取的数据具有同步性不会严重滞后，还能确保现场采集到的运行数据可以通过GPRS模块同步地发送到远程数据中心。另外，在数据异常或者超过安全限定时能够触发报警系统及时向数据中心发送警报信息，方便专业人员对生产现场的设备运行状况进行紧急异常分析和临时调度。ZigBee无线传感网络中终端节点采集数据流程如图6所示。

图6 ZigBee终端节点采集数据流程

4.3 GPRS无线传输部分

GPRS传输部分使用了有人物联网生产的USR-GPRS 730模块，可以通过自带的串口调试助手V2.2进行串口的设置与调试。在网络数据透传模式下，现场数据库可以通过串口和该模块连接然后发送数据到网络上指定的服务器。并且模块也可以接收来自服务器的数据，并将信息转发至串口设备，即该DTU能够进行双向网络透传。GPRS节点发送数据流程如图7所示。

4.4 数据接收、处理部分

数据中心的数据接收监测软件同样是利用控件丰富且开发性好的VB语言开发，利用VB 6.0编写完成的数据接收软件可以接收GPRS模块传输回来的数据，并且能够以图表和数据栏的方式进行显示。通过监测软件我们可以看到数据传输和设备运行状态是否正常。监测软件在启动后会将接收到的数据自动存储到数据中心的数据库中。另外，系统选择的GPRS模块可以通过短信AT指令使用短信的方式去查询和配置模块的参数，并且可以利用短信AT指令对GPRS模块进行远程参数设置，即该平台实现了对GPRS模块的远程控制和参数配置。为了方便后期对数据的分析和设备故障诊断将SQL Sever数据库作为提升设备运行参数的存储工具，并且设置存储方式为成功建立监测网络的情况下的自动存储。GPRS节点数据接收流程如图8所示。

图7 GPRS节点发送数据流程

图8 GPRS节点数据接收流程

5 实验测试及结果分析

为了验证首次应用在矿井提升设备中的全无线方式的远程监测系统的准确性以及可靠性，搭建了2JTP-1.2型提升机作为改系统稳定性测试实验台。将ZigBee节点分别与与提升机阀口处的压力传感器、制动器上的位移传感器连接组成感知层的下层无线传感网络即ZigBee终端节点，然后将ZigBee节点通过串口与现场监测工控机连接作为无线传感网络中的协调器，GPRS模块通过串口连接到监测现场的服务器完成了系统的网络层搭建，安装在远程的数据中心的矿井提升设备运行数据接收、显示、处理、存储软件作为系统的应用层。测试成功后部分软件界面如图9所示。

由图9可以看出，远程的数据中心能够接收到由试验测试平台现场服务器通过GPRS无线网络传输回来的各项提升机运行监测数据，能够实时、动态地展示各项数据，并且对异常的数据进行报警。同时对安装在数据中心的SQL Sever进行远程传送回来的数据查询，能够找到存储路径，达成了数据提取、存储的设计要求。另外，由于采用通用的数据库接口程序，使得系统移植性较好。与传统的提升设备状态监测系统相比，本系统首次实现了全无线形式的远程状态监测，工作人员和专家可以远程对设备的运行状态进行评估和故障诊断，克服了矿区生产环境恶劣、布线难度大、成本高等难题，同时增强了监测系统的灵活性和稳定性，对于矿区的安全生产意义重大。

6 结语

基于ZigBee及GPRS技术互补的的全无线形式的矿井提升设备运行数据采集系统主要包括“一近一远”两部分的无线数据传输模式，其中由C2530集成的ZigBee节点完成提升设备运行数据的短距离无线传输，由GPRS模块完成数据经过GPRS/GSM网络传到远程数据中心的远距离无线传输。既克服了矿区地理环境恶劣、GPRS网络覆盖不到的难题，又解决了ZigBee节点组建的无线传感网络只能近距离传输的弊端。除此之外，设计的配套软件搭配系统的硬件结构运行情况良好。系统总体结构易搭建、可扩展性强。通过具体的实验测试表明，ZigBee节点能够可靠的采集到矿井提升设备相关运行数据，通过ZigBee结合GPRS的全无线网络稳定地传输到远程数据中心，并进行图形显示和利用SQL Sever存储数据。同时该系统进行功能设计时采用的是通用的数据库接口程序，对于其他工业生产的监测具有较强的移植性，具有较大的推广及应用价值。

图9 测试成功后部分软件界面