基于蓝牙通信的液压支架压力监测系统研究

2019-06-19高文杰

煤矿现代化 2019年4期

高文杰

（山西焦煤西山煤电集团有限公司屯兰矿选煤厂，山西古交 030206）

0 引言

液压支架是现代综采工作面的主要支护设备，并且数量较多，如果液压支架出现故障但无法及时排除，将会严重威胁综采工作面的安全生产，因此实现对液压支架工作状态的实时监控意义重大，其中液压支架的压力信息尤为重要，现有的液压支架压力监测系统多依赖有线通信传输数据，不仅成本高、布线困难，且线路易磨损、维护不便。为了解决这一问题，本文引入蓝牙通信作为数据传输的方式，具有较高的数据传输可靠性。

1 系统总体方案设计

1.1 系统结构

液压支架压力监测系统的总体结构如图1所示。压力监测系统通信结构主要分为2层，以嵌入式网关作为分界点，底层采用蓝牙通信作为主要通信方式，压力采集表采集到的数据发送至蓝牙源节点，蓝牙源节点将压力信息通过蓝牙路由节点上传至嵌入式网关；上层通信主要通过工业以太网完成数据传输，嵌入式网关将蓝牙路由节点发来的数据进行打包并上传至上位机管理软件，工作人员可以通过上位机管理软件设置预警值，当压力超过预警值即发出报警，另一方面上位机管理软件也负责压力数据的实时显示以及存储，方面工作人员的查看以及实时监控。

图1 压力监测系统总体结构图

系统中的蓝牙嵌入式网关、蓝牙路由节点以及蓝牙源节点都属于蓝牙设备，蓝牙设备主要由微控制器以及蓝牙芯片组成。由于蓝牙路由节点和蓝牙源节点需要处理的数据量较小，因此选用成本较低的低功耗芯片STC13L2K08S2，该芯片不需要外部复位和晶振，因此降低了电路板布线难度。嵌入式网关对微控制器的处理能力有较高要求，因此选用基于Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F103RCT6，该芯片在保持较低功耗的同时拥有较高的处理速度，内部Flash容量为256kB，并可扩展外部存储器。三种蓝牙设备的蓝牙芯片均选用BlueCore CSR8645A03，该芯片符合IEEE802.15.1通信协议标准，功耗低、传输速度快，接收器的灵敏度为-93dBm，最大传输距离为100m，最大输出功率为10dBm。

1.2 压力监测系统工作原理

压力采集表负责采集液压支架工作时的压力数据，然后将数据上传至蓝牙源节点，为了降低功耗，蓝牙设备平时处于睡眠状态，当接收到数据后则被唤醒进入工作状态，该蓝牙节点被唤醒后即开始寻呼周边的蓝牙设备，附近原本处于睡眠状态的蓝牙设备收到呼叫后建立连接，这些蓝牙设备中发出寻呼的蓝牙设备为主设备，而接受寻呼的蓝牙设备为从设备，一台主设备和一台从设备组成的简单网络即为微微网，一个主设备最多可以与7个从设备建立连接，并且一台主/从设备也可能是另一台设备的从/主设备，这样就形成了蓝牙自组网络，网络中同时具备主设备和从设备两种身份的蓝牙设备即为桥节点，在蓝牙自组网络中，任意两个蓝牙设备均可实现数据传输。

嵌入式网关被唤醒后，开始接受蓝牙路由节点发送的压力信息，然后将信息通过以太网上传至上位机，同时也将数据存入了外部存储器中，当工业以太网失效时，工作人员可以通过USB接口将数据导出，避免由于故障导致的监测系统失效。

2 蓝牙自组网过程

根据压力监测系统的总体结构，嵌入式网关是蓝牙自组网中数据传输的唯一目的节点，而蓝牙源节点是蓝牙自组网中的源节点，当液压支架停止工作时，则网络中所有的节点均进入休眠状态，从而减少电量消耗，当液压支架工作时，则连续检测和传输液压支架的压力信息。根据上述要求，蓝牙自组网络应为树状结构，其中目的节点只有一个，路由节点作为目的节点的子节点同时也是桥节点，负责信息的转发，同时路由节点又应该有一定数量的子节点，子节点中可以是其他路由节点也可以是源节点，而源节点没有数据转发的功能。蓝牙自组网拓扑结构如图2所示。

蓝牙自组网形成过程如下：

1）路由发现。当源节点接收到压力采集表的数据被唤醒后，即向网络中的其他节点发送路由发现数据包，并快速转发至整个网络，用于寻找目的节点。

2）构建散射网。目的节点在接收到路由发现数据包后，即开始寻找附近的路由节点，并构成相应的微微网，当目的节点的从设备达到7个后，即停止寻找路由节点。然后已经加入网络的路由节点寻找其他没有加入网络的路由节点作为自己的子节点，当所有的路由节点都已经加入网络后，路由节点开始寻找附近的源节点加入网络，从而完成了自组网的过程。

图2 蓝牙自组网结构图

3 压力监测系统软件

3.1 蓝牙源节点和路由节点软件设计

由于压力监测系统主要依靠电池进行供电，因此监测系统的功耗是必须考虑的问题，由于液压支架的压力数据主要用于升降架的过程中，所以当液压支架不进行升降架的时候，压力监测系统处于休眠状态，当压力发生突然变化时，压力监测表开始采集数据上传至蓝牙源节点，并使其进入工作状态，在蓝牙自组网形成以后，蓝牙源节点开始向目的节点（嵌入式网关）发送数据。在发送数据过程中，首先应由蓝牙路由节点寻呼蓝牙源节点，并建立链接，链接建立成功后，蓝牙源节点将数据传输至蓝牙路由节点，并由蓝牙路由节点转发至嵌入式网关，从而完成数据传输。如果在建立链接过程中被其他源节点抢占，则等待下一次路由节点发起链接，软件流程如图3所示。

图3 蓝牙源节点工作流程图

3.2 嵌入式网关软件设计

嵌入式网关不仅是通信系统顶层和底层的中转装置，并且其本身也能够独立作为上位机完成压力的监测功能，嵌入式网关拥有人机交互界面，可以实时显示压力数据的同时，工作人员也可以发送相应的指令，控制监测系统的运行。嵌入式网关有SD卡接口和USB接口，当上位机无法与嵌入式网关正常通信时，工作人员可以直接从嵌入式网关将压力数据导出进行分析。嵌入式网关软件功能模块如图4所示。

图4 嵌入式网关软件功能模块图

当液压支架不进行升降架动作时，嵌入式网关处于待机状态，当接收到启动指令后，嵌入式网关被唤醒并完成初始化工作，嵌入式网关在接收到RDP后，开始组建网络，然后接受子节点发送的压力数据。嵌入式网关将压力信息一方面打包上传至上位机，另一方面通过人机界面实时显示出来，嵌入式网关在接收到数据后需要确认是否接收到对应液压支架的压力值，如果没有正常接收，则向上位机发送警报，提醒工作人员进行排查。嵌入式网关工作流程如图5所示。

图5 嵌入式网关工作流程图

3.3 上位机软件设计

上位机软件不仅需要负责实时显示液压支架的压力变化，还需要对数据进行整理、存储和分析。因此上位机软件按照功能可分为：实时显示、系统管理、档案管理、历史数据查询、数据导出。其中系统管理模块负责修改、添加、删除用户信息；档案管理主要负责管理压力采集表信息的传输，如果在工作面修改或者删除压力采集表，必须通过档案管理模块录入压力采集表信息，才能够进行实施显示；历史数据查询是将压力数据制作成相应的图表，工作人员可根据日期进行相应的查阅。