基于ZigBee的采煤机数据采集系统研究.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()基于Z i g B e e的采煤机数据采集系统研究崔晨昭(太原煤炭气化(集团)有限责任公司,山西太原 )摘要:首先分析了采煤机数据采集系统的功能,主要是实时采集瓦斯和顶板压力数据以及进行无线网络传输;然后详细介绍了电路设计,包括瓦斯采集电路、压力采集电路和Z i g B e e通信芯片C C 电路的设计;最后,介绍了协调器节点、路由器节点和数据采集终端节点的软件和组网流程.关键词:采煤机;数据采集系统;Z i g B e e中图分类号:T P T D 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:崔晨昭(),男,山西运城人,助理工程师,本科,主要从事煤矿机电方面的工作.引言采煤机是一种用于煤矿生产的重要设备,它能够在地下煤矿中采掘煤炭,并将煤炭输送到地面.采煤机数据采集系统是一种用于采集、处理和分析采煤机相关数据的软、硬件系统.采煤机数据采集系统通过采集采煤机运行时产生的各种数据,并将这些数据进行处理和分析,从而实现采煤机的智能化管理和控制.采煤机数据采集系统在煤矿生产中具有重要的应用价值,可以帮助企业提高生产效率和产品质量,降低能耗和成本,提高工作安全和环保水平.采煤机数据采集系统功能 实现瓦斯和顶板压力数据采集瓦斯是一种易燃易爆的气体,在采煤过程中会产生大量的瓦斯,如果瓦斯浓度超过一定程度会引起爆炸和安全事故.因此,对煤矿工作面的瓦斯浓度进行实时监测和采集,可以使相关人员及时发现和处理瓦斯超标问题,保障煤矿生产安全.顶板压力是指采煤工作面上方的岩层或煤层向下施加的压力.在采煤过程中,顶板压力会不断发生变化,如果压力过大或者变化过快,可能会引起煤与岩层的突出或者崩塌,造成煤矿事故.因此,对煤矿工作面的顶板压力进行实时监测和采集,可以帮助相关人员及时发现和处理压力异常问题,保障煤矿生产安全.由此可见,采集瓦斯浓度和顶板压力是保障煤矿生产安全的重要措施,也是煤矿生产过程中的必要操作.通过无线传感网络进行数据传输传统的有线传输方式存在诸多限制,如传输距离受限、布线成本高昂、易受干扰等,无法满足采煤机现场复杂环境下的数据采集需求.而无线传输方式可以实现数据的实时监测和远程控制,方便了采煤机的运行和管理.与传统的有线传输方式相比,无线传输方式不需要进行复杂的布线和维护,减少了采煤机维护和管理的难度和成本.通过无线传输方式,可以实现采煤机数据的实时共享和分析,以便进行及时的优化和调整,从而提高采煤机的生产效率和生产质量.综上所述,无线传输方式可以有效解决采煤机数据采集装置在传统有线传输方式下存在的诸多问题,提高采煤机的运行效率和生产效益,保障煤矿生产安全.采煤机数据采集系统硬件总体结构设计采煤机数据采集系统通常由硬件和软件两个部分组成.硬件部分包括采集设备、传感器、数据存储设备等,用于采集和存储采煤机产生的各种数据.采煤机数据采集系统硬件结构如图所示,以A RM处理器为核心,由瓦斯传感器电路和压力传感器电路采集现场信息,然后通过A RM处理器进行处理,最后通过Z i g B e e模块进行无线传输.图采煤机数据采集系统的硬件结构关键电路设计 瓦斯采集电路瓦斯采集电路采用了无线瓦斯传感器M J C,这款传感器常用于煤矿等危险环境中检测瓦斯浓度.该传感器采用非稳态红外线吸收法,能够实时准确地测量瓦斯浓度,并将数据通过无线通信技术传输至监测中心,实现远程实时监测和报警.M J C 采用多点测量方式,可以同时测量多个点的瓦斯浓度,并且具有高灵敏度和低误差.该传感器还具有防爆、防水、防尘等特点,能够适应各种恶劣的工作环境.M J C 的电路包括传感器模块、信号放大模块、无线通信模块等.其中,传感器模块采用红外线吸收法测量瓦斯浓度,信号放大模块将传感器输出的微弱信号进行放大和处理.M J C 的电路设计需要充分考虑瓦斯传感器的特点和工作环境的要求,保证传感器的准确性和稳定性,并且具备防爆、防水、防尘等特点,以确保在危险环境中能够安全可靠地工作.由于M J C 输出的是电压型信号,在传输过程中会受到许多因素干扰,例如电磁场干扰、信号线长度不一致、接触电阻等.这些干扰会导致信号的失真,影响信号的可靠性和准确性.差分放大电路可以通过将待测信号与反向信号同时传输并在接收端进行差分运算来抵消这些干扰,从而提高系统的抗干扰性能.设计了如图所示的差分放大电路,该电路由两个输入端和一个输出端组成,其中一个输入端连接待测信号,另一个输入端连接一个反向信号,而输出端则输出差分信号.由于反向信号与待测信号同时传输,它们受到的干扰是相同的,因此可以通过差分运算来消除干扰.另外,差分放大电路的共模抑制能力也很强,可以进一步降低信号受干扰的可能性.图无线瓦斯传感器的差分放大电路 压力采集电路本系统采用矿用顶板压力传感器G D ,其电路设计如图所示.G D 具有高精度、自动转换、抗干扰、声光报警、适应性强和低功耗等特点.G D 的测量范围是 MP a,误差范围仅为,可以提供高精度的顶板压力数据.G D 可以自动将顶板压力转换为标准电信号输出,方便与其他设备进行数据传输和处理.由于煤矿井下存在强烈的电磁干扰,因此G D 采用了专门的抗干扰设计,能够有效消除干扰,保证信号的稳定性和可靠性.G D 在顶板压力超过安全范围时,会立即发出声光报警信号,提醒操作人员及时采取措施,防止煤矿事故的发生.G D 可以适应各种恶劣的井下环境,具有高可靠性和长寿命.G D 的电源电压范围为V V,输出信号范围为mAmA,功耗低,能够满足煤矿井下的电源供应要求.通信电路C C 是一款集成了Z i g B e e和I E E E 无线通信协议的S o C芯片,图为设计的外围电路.各引脚的设计含义如下:引脚为未使用的引脚,与引脚共同连接到GN D;引脚、引脚为数字I/O;、引脚为电源正V C C;引脚为复位引脚,低电平有效;引脚接参考电流的外置精密偏置电阻,取R k;、引脚为射频天线的正负输入信号;、引脚分别为两个晶振Y、Y,Y 晶振的频率为 k H z,Y 晶振的频率为 MH z.图顶板压力传感器电路Z i g B e e组网程序设计 协调器节点软件Z i g B e e协调器节点的启动运行过程是一个初始化、配置、搜索、组建、等待、接收和上传的过程.具体包括:()系统启动:当Z i g B e e系统启动时,协调器节点是最先启动的节点.()硬件初始化:协调器节点会对自身硬件模块进行初始化,例如检查连接的传感器、执行器和网络接口等.()软件初始化:协调器节点会对自身软件底层进行 初 始 化,例 如 初 始 化 操 作 系 统、驱 动 程 序 和Z i g B e e协议栈等.()系统资源配置:协调器节点会对系统相关资源进行配置,例如分配系统内存、设置系统定时器等.()信道扫描:协调器节点会扫描可用的无线信道,并选择一个合适的信道.()网络组建:协调器节点会选择一个可用的P ANI D,并开始组建自己的网络.()等待接收模式:当网络组建成功后,协调器节点进入等待接收模式,等待接收子节点(路由节点或终端采集节点)的入网请求及终端采集节点的数据包.()子节点入网:如果是子节点的入网请求,则协调器节点会允许其加入网络并分配 位网络短地址,更新节点设备关联表,以便与协调器节点进行数据通信.()数据接收:如果是终端采集节点的数据包,则协调器节点会接收该数据包并将该数据包通过串口上传至P C端进行显示.()数据上传完成:数据上传完成后,协调器节点会中断返回,并再次进入等待接收模式直到数据接收完成.协调器节点程序流程如图所示.路由器节点软件Z i g B e e路由器节点的软件流程是一个入网、路由建立、等待接收、数据接收、数据发送和网络维护的过程.具体包括:()硬件初始化:路由器节点会对自身硬件模块 年第期崔晨昭:基于Z i g B e e的采煤机数据采集系统研究进行初始化,例如检查连接的传感器、执行器和网络接口等.图C C 的电路设计()软件初始化:路由器节点会对自身软件底层进行 初 始 化,例 如 初 始 化 操 作 系 统、驱 动 程 序 和Z i g B e e协议栈等.()入网请求:路由器节点会向协调器节点发送入网请求,并等待协调器节点的响应.()入网响应:协调器节点如果同意该节点入网,则会分配一个 位短地址并将其分配给该路由器节点.()建立路由:路由器节点会根据网络拓扑结构建立相应的路由表,以便进行数据的转发.()等待接收:路由器节点会进入等待接收模式,等待来自其他节点的数据包.()数据接收:当有其他节点发送数据包到该路由器节点时,路由器节点会接收该数据包,并根据路由表进行转发.()数据发送:如果该路由器节点需要向其他节点发送数据,则会根据路由表选择最佳的转发路径,并将数据包发送给目标节点.路由器节点程序流程如图所示.终端采集节点软件S C 是一款A RM 系列的嵌入式处理器,而C C 是一款低功耗的无线通信芯片,它们可以通过串口或S P I接口进行通信.该程序使用了A RMC o r t e x M系列微控制器,并通过S P I接口与Z i g B e e模块进行通信.在程序中,首先定义了Z i g B e e通信相关的参数,包括信道、P ANI D、短地址和协调器地址;然后在主循环中,不断接收从串口发送过来的数据,并通过Z i g B e e协议发送到指定地址;接着等待接收数据,并将接收到的数据发送回串口.终端采集节点程序流程如图所示.图协调器节点程序流程图应用效果目前,基于无线网络传感的采煤机数据采集系统已经在煤矿企业中得到了广泛的应用.该系统可以大机 械 工 程 与 自 动 化 年第期大提高采煤机的安全性和工作效率,使煤矿企业能够更加科学地进行生产和管理.其优势主要体现在以下几个方面:()降低安全风险.采煤机在工作过程中,瓦斯爆炸、顶板坍塌等安全事故时有发生.基于无线网络传感的采煤机数据采集系统可以及时地采集到瓦斯浓度、顶板压力等数据,并实时传输到监测中心,使得管理人员及时掌握采煤机的运行状态,并采取措施降低安全风险.图路由器节点程序流程图()提高生产效率.采煤机的故障或者停机会严重影响煤矿的生产效率.基于无线网络传感的采煤机数据采集系统可以实时监测采煤机的运行状态,及时发现问题并进行处理,从而减少故障和停机时间,提高生产效率.图终端采集节点程序流程图()降低成本.传统的采煤机数据采集方法需要大量的人力和物力投入,而基于无线网络传感的采煤机数据采集系统可以实现自动化采集和传输,降低了成本.参考文献:王敏采煤机状态监测系统设计与实现J机械管理开发,():赵鹏杰采煤机工况参数测量系统应用探讨J煤炭科技,():韩磊,文国军,吴川,等基于L a b V I EW采煤机多通道数据采集系统J煤炭技术,():秦亮,郭岱,张福建基于嵌入式的采煤机摇臂数采系统J煤矿机械,():R e s e a r c ho nD a t aA c q u i s i t i o nS y s t e mo fS h e a r e rB a s e do nZ i g B e eC U IC h e n z h a o(T a i y u a nC o a lG a s i f i c a t i o n(G r o u p)C o,L t d,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:F i r s to f a l l,t h e f u n c t i o no f t h es h e a r e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d,w h i c hi sm a i n l yt h er e a l t i m ec o l l e c t i o no fg a sa n dr o o fp r e s s u r ed a t aa n dw i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o n T h e nt h e c i r c u i t d e s i g n i s i n t r o d u c e d i nd e t a i l,i n c l u d i n g t h ed e s i g no f g a sa c q u i s i t i o nc i r c u i t,p r e s s u r ea c q u i s i t i o nc i r c u i t a n dZ i g B e e c o mm u n i c a t i o nc h i pC C c i r c u i t F i n a l l y,t h e s o f t w a r ea n dn e t w o r k i n gp r o c e s so f c o o r d i n a t o rn o d e,r o u t e rn o d ea n dd a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a ln o d ea r e i n t r o d u c e d K e y w o r d s:s h e a r e r;d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m;Z i g B e e来 稿 须 知 机械工程与自动化 在“万方数据数字化期刊群”、“中国知网”、“维普资讯”全文上网,分别被 中国核心期刊(遴选)数据库、中国期刊全文数据库、中国科技期刊数据库 收录,并入选中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊.根据协议由 机械工程与自动化 编辑部取得作者收录授权,如作者不同意将文章编入数据库,请在来稿时声明.投寄本刊的一切作品一经录用,本刊编辑对来稿有编辑和修改权,作者应保证对投寄本刊的作品无侵犯他人版权或其他权利行为,文责自负.作者来稿 日内未接到 机械工程与自动化 录稿通知,可对作品自行处理.机械工程与自动化 编辑部 年第期 机 械 工 程 与 自 动 化