基于XBee3的矿用本安型低功耗数据采集系统

黄鹤松，王家豪，戴传浩，田成金，王 朕

（1.山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛266590；2.青岛新前湾集装箱码头有限责任公司，山东 青岛266000；3.北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京100013；4.煤炭科学研究总院智能控制技术研究分院，北京100013）

煤炭作为我国能源系统的支柱产业之一，在未来能源格局中仍将是我国的主体能源[1]。目前国内相当一部分煤矿是井工煤矿，煤矿井下设备繁多，开采环境封闭，自动化程度较低[2]。2016年国家发改委和国家能源局颁布了《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，明确了我国要在2030年前实现煤炭无害化开采技术创新，提升煤炭开发效率和智能化水平[3]。

为了提高煤矿井下智能化开采水平，防范煤矿安全事故频发，需要在有限的工作空间内安装种类繁多的传感器和数据采集模块，各类传感器所产生的实时数据包为系统控制、运营决策、大数据分析等提供基础数据信息[4]。传统的有线数据采集系统布线较繁琐，线路易老化，抗干扰能力差；无线通信模块挂载的节点容量小，数据传输时延较长，无法满足智慧煤矿的建设要求[5-6]。因此需要在煤矿井下建立实用性强、灵活性好、功耗低的无线数据采集系统，为煤矿智能化开采提供必不可少的基础数据。

无线传感器技术在工业领域中的应用十分广泛，而ZigBee技术作为介于蓝牙和无线标记技术之间的双向无线通讯技术，具有低功耗、自组网、节点多、可扩展性强的特点，目前广泛应用在各领域[7]。为此，应用Digi XBee3无线射频模块（XBee3模块）作为ZigBee智能网络的通信核心，充分利用XBee3模块较之传统蓝牙Mesh、Lora具有更低功耗、更远传输距离的特点，设计了一款矿用本安型低功耗数据采集系统，该系统可对煤矿井下传感器的数据进行无线采集、传输、分析等功能，实现煤矿井下各类传感器数据的共享交换。

1 数据采集系统的总体设计方案

为了保障煤矿井下传感器数据采集的可靠性、实时性和安全性，所设计的数据采集系统采用无线通信和有线通信相结合的方式，无线通信使用ZigBee簇状拓扑结构组网，有线通信使用以太网通信[8]。数据采集系统主要由XBee终端设备、XBee路由器和XBee协调器组成。系统框图如图1。

图1 系统框图Fig.1 The system block diagram

在环境复杂、布线困难的综采工作面使用Zig－Bee无线组网方式对煤矿井下布置的接近传感器、压力传感器等各类传感器所产生的大量数据进行采集和无线传输。考虑到协调器的带载能力有限，系统每20台终端设备设置1台路由器，实现对数据的转发功能。对于长距离传输的需求，协调器将无线模块接收到的数据根据通信协议筛除无效数据后存储在本地内存卡，并通过以太网通信将协调器设备接入到已经布置在工作面数据监测分站，最终将数据包上传至云端互联网。用户可以在数据监测分站或井上监控平台实时查看煤矿井下各类传感器的数据信息。

数据采集系统的硬件和软件采用模块化设计，能够极大地提升系统的通用性、兼容性和可移植性，便于接入更多的传感器或拓展系统的其他功能。

2 硬件平台

系统所设计终端设备以XBee3模块作为主控单元，使用本安型磷酸铁锂蓄电池组供电，电源保护电路具有过载、过流、过压等保护功能。协调器以低功耗单片机STM32L431RCT6为主控核心，完成对数据的存储、转发和实时交互。路由器与协调器的硬件电路设计相同，仅需配置XBee3模块的参数即可设置其工作模式，从而搭配终端设备一齐实现数据的无线采集及传输。设备使用外部12 V不间断本安型电源供电。

2.1 终端设备的硬件

终端设备的主要功能是对煤矿井下布置的传感器数据进行实时采集，并将采集到的模拟量转换为数字量，最终将数据打包并通过ZigBee网络路由或者直接传输到协调器[9]。终端设备电路原理图如图2。

终端设备采用Digi公司开发的XBee3模块作为主控核心，XBee3模块工作电压为2.1～3.6 V，降低了设备整体功耗。模块还带有4路电压模拟量输入，使用128位AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）加密技术来保护网络数据安全，具有4级可配置传输功率，能够满足无线传输的安全性、可靠性和低功耗的要求[10-12]。

终端设备设计了供电电路、压力传感器检测电路、机械式接近传感器检测电路、供电电池电压检测电路和报警电路，可对传感器检测值是否超过阈值进行本地监测报警。

由图2可以看出，设计使用DIO4引脚读取机械接近传感器的开关状态；使用ADC外设AD2监测供电电池电压；使用ADC外设AD1检测压力传感器的模拟电压量并通过A/D转换将其转换为数字量，由式（1）计算出其压力值。

图2 终端设备电路原理图Fig.2 Circuit diagram of term inal equipment

式中：F为压力值；VAD1为XBee3模块ADC外设AD1检测到的电压值；a、b为转换系数。

为了满足煤矿对井下设备本质安全参数的要求[13-16]，根据GB 3836.4—2010国家标准，终端设备选用4 800 mAh的12 V本安型磷酸铁锂蓄电池作为供电电源，电池输出电压范围为11～13 V，最大输出电流为1 A[17-18]。为了保障终端设备的正常工作，需要将电池电压降压至稳定的3.3 V电压。电源管理电路采用TPS54302电源管理芯片，该芯片具有高效智能节能模式，可以显著提高轻负载时的电源工作效率，同时降低了功率损耗，进而降低设备总体功耗。电源管理电路如图3。

图3 电源管理电路Fig.3 Circuit diagram of power management

2.2 协调器的硬件

协调器设备的硬件设计主要包括主控芯片外围电路、ZigBee通信电路、以太网通信电路、CAN总线通信电路、内存卡存储电路、液晶显示电路、按键电路等。协调器的硬件电路结构如图4。

图4 协调器的硬件电路结构Fig.4 Circuit structure of coordinator hardware

协调器作为ZigBee网络的核心组网单元，使用ARM Cortex-M4内核的 32位处理器STM32L431RCT6低功耗单片机作为主控芯片。

协调器的主控芯片与XBee3模块使用UART串口通信，接收终端设备采集到的数据，并对接收到的数据进行分析处理。有线通信使用以太网通信或CAN总线通信接入到煤矿井下布置的综合接收器内，最终将数据上传到数据监测分站和云端。为了保障数据安全，防止有线通信故障时数据丢失，本系统使用STM32L431RCT6单片机自带的SDIO接口外接SD卡座，最高支持32 G的内存卡，可以将采集到的数据备份存储在本地，便于工作人员查看历史信息。液晶显示电路与按键电路配合使用，实现对显示菜单的翻阅、查询，以便于煤矿井下一线工作人员实时查看井下采集到的各类传感器数据。协调器采用外部本安型电源模式供电，保障协调器能够不间断运行。

3 系统软件

系统的软件设计包括终端设备、路由器和协调器3部分，终端设备完成对各个传感器数据的无线采集和传输；协调器主要接收终端设备的数据，并对数据进行本地存储，同时通过以太网将数据传输到数据监测分站；路由器仅需将XBee3模块的工作模式配置为“Route”模式，即可实现相应的路由功能。

3.1 终端设备的程序

设计的终端设备主要完成对液压支架乳化液泵压力、护帮板位置和供电电池电压等数据的采集和传输。终端设备的程序流程如图5。

图5 终端设备的程序流程Fig.5 Process flow chart of end device

终端设备根据PAN ID（Personal Area Network Identifier，个域网标志符）加入网络后进入引脚睡眠模式，当引脚触发唤醒或者跳出循环睡眠时唤醒XBee3模块，此时对压力传感器、接近传感器和供电电池电压进行检测，经过A/D转换成数字量后通过ZigBee网络将各传感器状态和电池信息发送给协调器。当检测到的数据值超出阈值时系统触发自动报警装置，提醒现场工作人员对设备进行检修。

3.2 协调器的程序

协调器主要接收终端设备采集到的数据，并将接收到的数据通过W5500以太网模块发送到煤矿井下布置的综合接收器，实现数据的上传。为了防止通信故障而导致数据丢失，协调器还将数据备份在本地内存卡内。协调器的程序流程如图6。

图6 协调器的程序流程Fig.6 Program flow of coordinator

协调器上电或者复位后，系统首先初始化各个模块并配置ZigBee无线网络，随后协调器进入接收模式等待接收终端设备发送的数据包。当接收到固定格式的数据包后，协调器开始对数据包进行备份和上传，并对数据进行分析处理，将接收到的数据实时显示在本地TFT屏上，以便工作人员查看采集到的信息。

4 功能测试

1）数据采集系统RSSI值。在实验室搭建煤矿综采工作面的模拟测试环境，对数据采集系统的协调器和终端设备进行联调。并对RSSI值（Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示值）、丢包率、数据吞吐量、ZigBee组网延时等数据进行测试。RSSI值和数据吞吐量与距离的关系如图7。由图7可以看出，当协调器和终端设备的间距小于2 m时RSSI值随距离呈线性递减，当2个设备间距大于2 m时RSSI值呈现出波浪式下降。2台设备之间的数据吞吐量始终维持在4～5.1 kbps，通信信号强度满足数据传输要求。

图7 RSSI值、数据吞吐量与距离的关系Fig.7 The relationship between RSSI and throughput w ith distance

2）对数据采集系统的通信性能进行测试，主要测试测试系统的丢包率和通信延时。在不同传输距离下，每个间距测试依次向终端设备发送200个数据包，每个数据包共100字节数据，共进行10次重复测试，计算得到数据采集系统的平均丢包率、通信延时。数据采集系统通信性能测试见表1。由表1可以看出，在150 m内ZigBee组网通信延时较短，通信稳定，未出现丢失数据包现象。

表1 数据采集系统通信测试Table 1 Communication test of data acquisition system

3）电源测试。终端设备电源电路具有宽电压输入，输入电压范围在7～28 V，输出电压为3.3 V，最大输出电流为1 A。供电电路静态电流仅为93.1 A，满足系统低功耗的需求。电源管理电路的参数如下：①输入电压：7～28 V；②输出电压：3.3 V；③静态电流：93.1μA；④最大电流：1 A。使用示波器和专用差分探头对电源输出纹波测试，测试结果表明电源输出纹波峰峰值约为14.9 mV，纹波较小，能够满足终端设备和协调器设备的供电要求。

5 结 语

选用XBee3模块作为无线通信核心，软硬件采用模块化设计，利用嵌入式技术和无线传感器技术设计了一款矿用本安型低功耗无线数据采集系统，实现了对煤矿井下传感器数据信息的采集、传输和阈值超限报警等功能，通过协调器的人机交互界面可以直观地实时查看传感器数据。矿用本安型低功耗无线数据采集系统设计与传统的数据采集系统相比，消除了布线繁琐的问题，具有组网简单的优点。系统在室内150 m的距离内对数据进行测试时，未发生丢包现象，通信质量稳定。