基于无线传输的矿井主通风机远程监控系统设计.pdf

2 0 1 9年第1 2期 基于无线传输的矿井主通风机远程监控系统设计 赵云平 西山煤电集团有限责任公司官地煤矿运输区, 山西 太原0 3 2 2 0 0 摘 要 为解决煤矿主通风机监控系统数据有线传输存在的布线烦琐、 故障率高、 系统维护性差等缺点, 设计并实 现基于Z i g B e e无线传输技术的主通风机无线远程监控系统。在分析系统设计的基础上, 从上位机主站/ 传感器主站两方面对无线传输系统的硬件设计进行详细分析, 并基于无线网关节点和无线终端节点设计 软件处理流程。实际使用情况表明, 所设计的方案运行稳定、 布线简单、 安装便捷、 系统故障率低、 维护性 高, 满足预期设计目标。 关键词 Z i g B e e; 无线传输; 远程监控;P L C; 主通风机 中图分类号 T D 6 3 5 D O I 1 0.1 9 7 6 9/ j . z d h y .2 0 1 9.1 2.0 3 4 0引言 矿井主通风机的主要功能是向煤矿井下输送新鲜空 气, 降低CH4、C O等有毒有害气体浓度, 保证煤矿安全生 产。传统的矿井主通风机监控系统采用有线方式进行传 输, 即以电缆接线的方式获取传感器信号以及终端仪表 信号并传送至控制柜以及监控平台。有线传输方式存在 接线复杂、 布线烦琐、 线路易损坏、 设备维护性较差、 局限 性较多等缺点。国内外科研院所针对主通风机监控系统 的研究较多, 如中国矿业大学以及煤科总院重庆分院分 别设计了矿井主通风机在线监测与通信系统, 北京工业 大学开发了基于远程监测的煤矿主通风机故障监测与预 警系统。G P R S、 蓝牙通信模块也逐渐应用于煤矿主风机 的远程监控系统, 其缺点主要是数据传输量较小、 时延较 大。为保证煤矿主通风机监控系统数据传输的可靠性、 实时性, 本文以Z i g B e e无线传输网络为核心, 设计并实现 煤矿主通风机无线远程监控系统。 1系统设计 基于无线传输的矿井主通风机远程监控系统如图1 所示, 由上位机主站、 数个传感器分站组成。上位机主站 包括上位机以及网关节点, 传感器分站包括各传感器以 及重点节点。传感器分站的终端节点获取传感器数 图1 矿井主通风机无线监控系统设计 据后, 以无线方式发送给上位机主站的网关节点, 网关节 点以T C P/I P通信模式发送给上位机[ 1]。 该无线传输系统能够克服有线传输模式布线复杂、 系统维护困难的缺点, 并且该系统的扩展能力较强。若 新加传感器分站, 只需将终端节点加入现有无线网络 即可。 2硬件设计 2.1上位机主站 上位机主站由工控机与网关节点以T C P/I P进行连 接。工控机用于将接收到各个传感器参数进行处理、 显 示, 并对主通风机进行控制。网关节点与传感器分站的 各个终端节点组成无线通信网络, 以无线通信模式进行 数据传输。如图2所示, 上位机主站由无线射频单元、 上 位机 以 及 电 源 管 理 单 元 三 部 分 组 成。 无 线 网 关 以 C C 2 5 3 0作为主控芯片。电源管理单元为无线射频单元 以及上位机提供交流2 2 0V以及直流2 4V电源; 上位机 与无线射频单元以及串口通信模式进行数据传输; 无线 射频单元与传感器分站组成无线通信网络[ 2 - 3]。 图2 上位机主站结构框图 2.2传感器分站 传感器分站由传感器节点与终端节点组成。传感器 获取数据信息后以T C P/I P模式发送给终端节点, 终端 节点以无线通信模式发送给上位机主站中的网关节点。 为保证数据传输的可靠性, 一个传感器分站中只包含一 个传感器节点以及一个无线终端节点。无线终端节点以 78 工矿自动化 自动化应用 收稿日期 2 0 1 9 - 1 0 - 2 1 作者简介 赵云平 1 9 7 7 , 男, 山西五台人, 毕业于河北工程大学采矿工程专业, 机电工程师, 从事煤矿机电工作。 2 0 1 9年第1 2期 C C 2 5 3 0作为主控芯片。如图3所示, 传感器分站由无线 射频单元、 传感器检测单元以及电源管理单元三部分组 成。传感器检测单元获取监测数据后以串口通信模式发 送给无线射频单元, 由无线射频单元以及无线通信模式 与上位机进行数据传递。电源管理单元提供的电源类型 有交流2 2 0V, 直流2 4V以及直流5V几种[ 4]。 图3 传感器分站结构框图 3软件设计 3.1无线网关节点软件设计 无线网关节点是矿井主通风机远程监控系统无线传 输网络的组织、 维护和管理者。无线网关节点负责网络 的新建; 负责维护终端节点绑定表, 能够实现对无线终端 节点的增加和删除; 负责将接收到的无线终端节点数据 并上传至上位机, 同时发送指令给各无线终端节点。 无线网关节点软件流程见图4所示。设备上电后, 首先完成设备初始化操作, 然后新建无线传输网络。如 果新建网络成功, 则对该网络中的无线终端节点进行维 护, 即执行增加、 删除无线终端节点过程, 同时更新网络 绑定表。如果网络新建不成功, 则继续进行网络新建。 如果无线终端节点不需要维护, 则直接执行无线终端节 点的数据收发, 并将接收到的数据上传至上位机进行显 示和控制[ 5]。 3.2无线终端节点软件设计 无线终端节点位于传感器分站内部, 一个无线终端 节点与一个传感器相连。无线终端节点通过接收无线网 关节点的指令, 能够实现对相连传感器的控制, 如启动、 停止以及接收传感器数据。无线终端节点能够自动搜寻 可用无线网络, 并申请加入。无线终端节点是整个无线 网络的执行者, 既可接收无线网关的控制指令, 也可接收 传感器数据信息, 并传输至无线网关[ 6]。 无线终端节点软件流程见图5所示, 设备上电并完 成设备初始化过程后, 无线终端节点会主动查询已有的 无线网络并请求加入该网络。如果加入网络成功, 则更 新自身维护的无线I D绑定表; 如果加入网络不成功, 则 会继续查询其他无线网络并申请加入。无线终端节点加 入网络成功后, 接收来自无线网关的控制指令。无线终 端节点对控制指令进行解析, 如果是数据采集指令, 则启 动与其相连的传感器, 并进行数据采集; 如果是采集节点 类型指令, 则进行节点类型信息采集并发送至无线网关 节点。 图4 无线网关节点软件流程图5 无线终端节点软件流程 4结语 以Z i g B e e无线传输技术为手段, 实现矿井主通风机 无线远程监控系统。该系统从硬件上分为上位机主站和 传感器分站, 由上位机主站中的无线网关管理、 组织并控 制传感器分站中的无线终端节点, 实现控制指令以及传 感器数据的传输, 进而实现主通风机数据、 运行状态的无 线远程监控。设计方案实际使用结果表明, 系统运行稳 定、 可靠。在后续的研究中, 要对数据传输的时延进行测 试, 优化数据传输链路, 保证控制指令和数据传输的实时 性和准确性。 参考文献 [ 1]吴新忠, 任子晖, 马小平, 等.煤矿主要通风机在线监控系 统研究 现 状 及 展 望 [J].煤 炭 科 学 技 术, 2 0 0 9,3 71 2 5 4 - 5 7. [ 2]申瑞杰, 吴新忠, 牛洪海, 等.煤矿主要通风机远程无线监 控系统设计[ J].工矿自动化,2 0 1 7,4 31 1 3 0 - 3 4. [ 3]韩 涛, 黄友 锐, 曲 立国.矿 井通 风机 无 线监 控系 统设 计 [ J].工矿自动化,2 0 1 4,4 04 8 1 - 8 3. [ 4]王 春, 许雯 娜, 廖 映华.矿 井通 风机 远 程监 控系 统设 计 [ J].工矿自动化,2 0 1 5,4 11 2 5 8 - 6 1. [ 5]张平, 蒋曙光, 刘涛.基于P L C与MC G S的矿井主通风机 监测系统设计[ J].矿山机械,2 0 1 2,4 09 3 2 - 3 4,4 8. [ 6]黄布毅, 常亚军, 张海霞, 等.基于无线传感器网络的煤矿 安全监测系统设计[ J].通信技术,2 0 0 8,4 19 1 7 0 - 1 7 2. 88 自动化应用 工矿自动化