基于蓝牙自组网的液压支架压力监测系统设计.pdf

第 4 2卷 第 7期 2 0 1 6年 7月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 7 J u 1 ．2 O 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 7 0 0 7 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 1 9 唐 明珠 ， 衷 卫声 ． 基 于蓝牙 自组 网 的液压 支架 压力 监测 系统 设计 [ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 7 6 7 9 ． 基于蓝牙自组网的液压支架压力监测系统设计 唐 明珠 ， 衷 卫声 1 ． 南昌大学 机电工程学院，江西 南昌 3 3 0 0 3 1 ； 2 ． 南昌大学 信息工程学院，江西 南 昌 3 3 0 0 3 1 摘要 针对现有矿 井液压支架监测 系统布线复杂、 数据传输不稳定、 维护 困难等问题 ， 设计 了基于蓝牙 自 组 网的液压 支架压 力监测 系统 。该 系统 通过 蓝 牙技 术 组 建 的无 线 自组 网解 决 了繁 杂 的布 线 问题 ， 使 用蓝 牙 无线通 信和 以 太 网传 输液 压 支架压 力数 据 ， 传 输速 率 快 ， 性 能稳 定 ， 工作人 员利 用上位机 软件 ， 即可 实 时对 液 压 支 架压 力值进 行分 析 。 关 键词 液 压 支架 ；压 力监 测 ；蓝 牙 ；无线 自组 网 ；数据 传输 中图分 类号 T D3 5 5 文献 标 志码 A 网络 出版 时问 2 0 1 6 0 7 0 5 1 5 0 5 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 7 0 5 ． 1 5 0 5 ． 0 1 9 ． h t m1 De s i g n o f p r e s s ur e mo ni t o r i n g s y s t e m o f hy d r a ul i c s up p o r t b a s e d o n bl ue t o o t h Ad HO C ne t wo r ks TANG M i ng z hu ， ZH ONG W e i s he ng 1． Sc h o ol of M e c h a ni c a l a nd El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng，Na nc ha n g U n i v e r s i t y，Na nc ha ng 3 3 0 03 1，Chi na 2． S c ho o l o f I n f o r m a t i o n Engi ne e r i ng，Na nc ha n g U ni v e r s i t y，Na n c h a ng 3 3 0 03 1，Chi na Ab s t r a c t To s o l ve p r o bl e ms of c o m p l e x wi r i ng， u ns t a bl e da t a t r a ns mi s s i o n a n d d i f f i c u l t ma i n t e na nc e o f e x i s t i n g hy d r a u l i c s up po r t mo ni t or i n g s ys t e m i n c o a l mi ne u nd e r g r ou nd，a pr e s s u r e mon i t o r i ng s y s t e m of h yd r a ul i c s up p or t ba s e d o n Ad Ho c ne t wo r ks was d e s i gne d．Th e s y s t e m c a n s o l v e c o mpl e x wi r i ng pr o bl e m v i a bl u e t oo t h t e c hn ol o gy t o f or m a wi r e l e s s Ad H o c ne t wo r ks， a nd a do pt s bl ue t oo t h wi r e l e s s c o m mun i c a t i o n a nd Et he r n e t t o t r a ns mi t hy dr a u l i c s up po r t p r e s s u r e d a t a wi t h f a s t t r a n s m i s s i o n r a t e a nd s t a b l e p e r f or ma nc e．St a f f c a n r e a l t i m e l y a n a l y z e hy dr a ul i c s u pp or t pr e s s u r e v a l u e b y us e o f PC s o f t wa r e ． Ke y wo r d shy d r a ul i c s u pp or t ； p r e s s ur e m o ni t or i n g； bl u e t o o t h； wi r e l e s s Ad Hoc ne t wor ks da t a t r a ns m j s s j on 0 引言 液压 支 架 是综 采 工 作 面 重要 的工 作设 备 ， 且 数 量众 多 ， 若 液压 支架 出现死架 、 倒 架等 故 障而又 不 能 及 时 发现 ， 将 给综 采工 作 面 的正 常 工 作 带来 极 大 隐 患口 ] ， 因此 ， 必 须 实 时 监 控 液 压 支 架 工 作 状 态 。 目 前 ， 井 下液 压支 架监 测 系统 实 时 采 集 的液 压支 架 压 力数 据 都 是 以有 线 传 输 方式 传 送 到 地 面监 测 站 j ， 存 在 布线 复杂 、 成 本 高 、 难 以维 护 等 缺点 ， 数 据 传 输 和施 工 的安全 性也 受 到影 响 。蓝牙 自组 网是 使 用 蓝 牙无线 通信 规范 构成 的 网络拓 扑 ， 不需 要基 站 ， 可 相互 进行 数据 传 输 。为 此 ， 笔 者 设 计 了基 于 蓝 牙 自 组 网的液 压支 架压 力 实 时 监 测 系 统 ， 使 用 无 线通 信 传输 液压 支架 的压 力数 据 ， 数 据 传输 可靠 性高 。 1 系统 总体 结构设 计 1 ． 1 系统 总体结 构 基于 蓝牙 自组 网 的液压 支架 压力 监测 系统 的 总 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 3 0 7 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 5 3 0 ； 责任编辑 张强 。 基金项目 江西 省科技厅科技成果重点推广指导项 目 2 0 1 1 Z B B I 9 0 0 0 6 。 作者简介 唐 明珠 1 9 9 1 ， 女 ， 湖北荆州人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为测试计量理 论及应用 ， E ma i l q q l i a n g s h i 2 2 2 1 6 3 ． c o rn。通信作 者 衷卫声 1 9 6 7 一 ， 男， 江西南 昌人 ， 教授 ， 主要研究方 向为测试计量理论及应 用， E ma i l w s 0 7 9 l j x 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 6年 第 7 期 唐 明珠 等 基 于蓝 牙 自组 网的液压 支 架压力 监测 系统设 计 7 7 体结构如图 1 所示 。监测系统 为 2层通信结构 ， 底 层通 信是 蓝 牙源 节 点 到嵌 入式 网关 的通 信 ； 上 层 通 信是嵌入式 网关到上位机管理软件的通信 。本设计 中底层通信使用蓝牙通信技术， 上层通信使用工业 以太 网通信 。压 力采 集 表采集 的数据 通 过蓝牙 无 线 通 信方 式传 输 到嵌入 式 网关 。嵌 入式 网关 将接 收 到 的数据 打包 ， 传 送 到 上 位 机 管 理 软件 。工 作 人 员 通 过 上位 机管 理 软件 ， 即 可 实 时查 看 液 压 支 架 的 压 力 数 据 ， 并且 根据 需要 绘 制液 压支 架压 力折 线 图 ， 对 压 力进行实时监测 ； 预设压力报警值， 当实际压力值超 出报警值或者节点掉线时 ， 推送报警信息 。 r． 地面 上位机 管理软件 用户 井 下 工业 以太 网 蓝牙路由节点 蓝牙路由节点l 蓝 牙通信 蓝牙源节点l 1 蓝牙源节点l 1 蓝牙源节点l 1 蓝牙源节点 压力采集表l l 压力采集表l l 压力采集表l l 压力采集表 图 1基 于 蓝 牙 自组 网 的液 压 支 架 压 力 监 测 系 统 总 体 结 构 蓝 牙设 备 由核 心 芯 片 和 蓝牙 芯 片组 成 ， 蓝 牙 源 节 点 、 蓝 牙路 由节 点 和嵌 入式 网关 都属 于 蓝牙设 备 。 蓝 牙 设备的 蓝牙 芯片均 选用B l u e C o r e C S R 8 6 4 5 A0 3 ， 该 芯 片 完 全 遵 循 V 4 ． 0蓝 牙 技 术 规 范 ， 采用 I EE E 8 0 2 ． 1 5 ． 1 通信协议标准， 在不增加外 围器件 的情 况下 ， 传 输距 离超 过 1 0 0 m， 内部功 率 放 大器的最大输 出功率达 i 0 d B m， 接收器的接收灵 敏度达到一9 3 d Bm， 该芯片具有安 全性 高、 传输 速率快和功耗低等特点 。蓝牙源节点和蓝牙路由节 点 的 核心 芯片 选 用 S T C 1 5 L 2 K0 8 S 2 ， 该 芯 片不 需 要 外部晶振和外部复位 ， 还可以对外输出时钟和低电平 复位信号。嵌入式网关要求能够快速处理数据 ， 拓展 外 部存储器 ， 使用 US B接 口复制数 据 。S TM3 2系列 的 S T M3 2 F 1 O 3 R C T6 芯 片 的内核 是基 于 A R M 3 2位 C o r t e x - M3的 C P U， 外 部 存储 容 量为 2 5 6 k B ， 可 拓展 外部存 储 器 ， 外设 消耗 功 率 小 ， 处 理 速 率 高 ， 拓 展 性 好 ， 完全满足嵌入式 网关开发 的各种需求。所以， 利 用 S T M3 2 F 1 0 3 R C T 6 开 发嵌 入式 网关 。 1 ． 2 系统 工作 原理 当液 压支 架 开 始 工作 时 ， 压 力 采 集 表 采集 压 力 数据 ， 并将 数 据传送 到 蓝牙源 节 点 ， 蓝 牙源 节点接 收 到数 据 ， 从 休 眠状态 中进 入工 作模 式 ， 进 入 工作模 式 的蓝牙源节点开始寻呼 附近的休 眠蓝牙源节点、 蓝 牙路 由节 点 和嵌入 式 网关 ， 附近 休 眠 的 蓝牙 设 备 接 收 寻呼 ， 建立 链接 ， 寻 呼 的蓝 牙 设备 为 主设 备 ， 接 收 蓝 牙寻 呼 的蓝牙 设 备 为从 设 备 ， 一 个 从 设 备 和 一个 主设备就组成了一个最 简单 的微微网 ， 一个主设备 最多可 以连接 7个活动的从设备 ， 一个微微网的主 设 备也 可 以是另 一个 微 微 网 的从 设 备 ， 一 个 微微 网 的从设 备可 以是 另一 个微微 网的主／ 从设 备 ， 同时处 于 2个或多个微微网的蓝牙设备称为桥节点。多个 微 微 网互连 组成 蓝牙 拓扑 网 ， 也 称 为蓝牙 自组 网 ， 处 于蓝牙 自组 网的蓝牙设备可相互进行数据传输 。 当嵌入 式 网关被 唤 醒后 ， 开始建 立蓝 牙拓 扑 网 ， 接收蓝牙源节点传送 的压力数据。为 了传输数据 ， 蓝牙 设 备 问 建 立 AC L As y n c h r o n o u s C o n n e c t i o n L e s s 链路链接 ， 压力采集表采集数据后 ， 将数据传 送 到 蓝牙 源节 点 ， 蓝 牙 源 节 点 将 数据 通 过 蓝 牙 自组 网 网络传输 到 嵌入式 网关 。嵌 入式 网关 通过 以太 网 将数据传送到上位机， 工作人员通过上位机软件 ， 即 可查 看各 个液 压支 架 的压力值 。嵌入式 网关 将实 时 采集 到 的数据 存入 存 储 器 ， 当 以太 网网 络 出现 故 障 时 ， 工作人 员 可通 过 S D 接 口或 US B接 口将数 据 导 出 ， 不影 响工 作人 员对 支架 压力 的分 析 。 2蓝 牙 自组 网形 成过 程 为 了更 有 效 地 提 高蓝 牙 自组 网 的网 络吞 吐量 ， 蓝牙 自组网的建立应符合以下规则 ① 在散射网中 控 制 微 微 网 的 数 量 ， 以 减 少 微 微 网 的 同 频 概 率 。 ② 减 少 桥 节 点 负 载 ， 防止 其成 为 通 信 网 络 的瓶 颈 。 ③ 避免出现休眠从设备 ， 控制从设备的数量l 4 ] 。 所 有 的 蓝牙 源 节 点 为源 节 点 ， 嵌 入 式 网关 为 唯 一 的 目的节点， 当综采工作面进行工作时， 蓝牙设备 连 续检 测液 压支 架压 力 ； 当综采 工作 面停 止工 作时 ， 所 有蓝 牙源 节点 及 蓝 牙路 由节 点 都 处 于 休 眠状 态 。 蓝 牙 自组 网 网络结构 如 图 2所 示 。 根 据 以上要 求 ， 自组 网 网络结 构一般 呈簇 状 ， 路 由节 点作 为桥 节点 ， 桥 节 点 形 成 的微 微 网应 具 有 合 适数量的从节点， 以避免源节点或路由节点进入休 眠状 态 ， 影 响 网络吞 吐量 。蓝 牙 自组 网形成 过程 第 1阶段 路 由发现 。当源节点从休眠状态被 唤醒， 就 将 一 个 路 由发 现 封 包 Ro u t e Di s c o v e r y P a c k e t ， RD P 泛洪 到整 个 网络 ， 寻找 目的节点 。 第 2 阶 段 构 建 散 射 网 。 当 目 的 节 点 接 收 到 7 8 工矿 自动化 2 O 1 6年 第 4 2卷 2蓝 才 自组 I碉l碉络 结 构 第 1 个 RD P时 ， 开 始构 建 散 射 网 ， 目的节 点 寻 呼 附 近的蓝 牙设 备 ， 寻 找路 由节 点 ， 构 成 微 微 网 ， 当从 设 备 达到 7个 时 ， 停 止 寻 呼新 的设 备 。 已加 入 微 微 网 的路 由节点 寻呼 自 由路 『 f 1 节 点 构 建 微微 网 ， 当所 有 路 F } 1 节 点都成 功 加 入微 微 网后 ， 路 由节 点 寻 呼 源 节 点组 建 微微 网 ， 这 样 就 形成 了 以路 由节 点 为 桥 节 点 的 自组 网 。 3系统 软件设 计 3 ． 1 嵌 入 式 网 关 软 件 设 计 嵌 入 式 网关 在 监 测 系 统 中起 到 承 上 启 下 的作 用 ， 它既 能够 收集 液压 支架 的压 力数 据并 备份 ， 又 能 接 收上位 机 的指 令 ， 发 送 压 力 数 据 。嵌 入 式 网 关具 有外 部 US B接 口和 S D卡 接 口， 在 上位 机 与 嵌 入式 网关 不能 进行 通信 时 ， 直接 通过 外部 接 口复制 数据 ； 嵌入式 网关具 有人 机 交 互 功 能 ， 只要 安 装 界 面显 示 模 块 ， 就 能直接 显示 当前 网络节点 采集 到 的数 据 ， 并 且 发送 监测 压 力数 据指令 或 导 出数 据 指令 。嵌 入式 网关 软件 功能模 块 如 图 3所 示 。 图 3 嵌 入 式 I碉关 软 件 功 能 模 块 当综采 工作 面 不工作 时 ， 嵌入 式 网关 、 蓝牙 路 由 节 点 和蓝 牙源节 点 都 处 于 待 机 状态 ， 当接 收 到指 令 时 ， 嵌 入式 网关 根 据 指 令 开 始 运行 。综采 工作 面开 始工作 时 ， 压力 采集 表采 集压 力数 据 ， 会唤 醒蓝 牙源 节 点 ， 发 送 RD P， 嵌 入 式 网关 接 收 到 第 1个 RD P 后 ， 开 始构 建散 射 网 ， 接 收蓝 牙源节 点 传送 的压力 数 据 。嵌 入式 网关 将 所 有 数 据 进行 打包 备 份 后 ， 发 送 到上 位机 服务 器 ， 此 时在 上 位 机 显 示 界 面 显示 实 时 压力值 。嵌入 式 网关 接 收 到 数 据 后 ， 确认 是 否 接 收 到每个 液 压支 架 的压 力 值 ， 若 是 接 收 不 到 某个 液压 支架的压力值 ， 向上位机发送报警信息， 上位机显示 接 收不 到 压力值 的液 压 支 架 的 详 细信 息 ， 工 作 人 员 现场排 查 ， 直 至所 有 压 力 值 接 收 正 常 。嵌入 式 网关 收集 节点 数据 流程 如 图 4所 示 。 初 始化蓝牙模块 等待接收 R D P 构建散射网 Y 打包备份数据 发送数据 到上位机 T 延时等待 从设备请求 连 输 数 掳 r ／ ， 罔 4 嵌入式 网关 收集节点 数据流程 3 ． 2 蓝 牙源 节点及路 由节 点软件 设计 在 实 际环境 下 ， 只有 升降 液压 支架 时 ， 测 试 支架 的压力 才有 意 义 。系 统采 用 蓄 电池 供 电 ， 为 了降 低 功耗 ， 液 压 支架不 工作 时 ， 蓝牙 设备 都 没置为 休 眠状 态 ， 当液 压 支架压 力 骤 变 时 ， 压 力 采 集 表 采 集 数据 ， 唤 醒蓝 牙源节 点 ， 并将 数据 打包 发送 到蓝 牙源 节点 。 蓝牙 源节 点被 唤 醒后 ， 开 始组 建 以嵌 入 式 网 关 为 目 的节 点 的 自组 网 ， 自组 网形 成之 后 ， 蓝牙 源节 点开 始 传送 数据 。蓝 牙 源 节 点 首 先 等 待 蓝 牙 路 南节 点 寻 呼 ， 之 后 接 收 蓝 牙 路 由 节 点 的 寻 呼 ， 建 立 AC I 链 接 ， 链 接成 功 后 ， 就 可 以将 数 据 传 送 到 蓝 牙 路 由节 点 ， 由蓝 牙路 由节 点 将 数 据发 送 到嵌 入 网关 ， 这 样 ， 这个 蓝牙 源节 点 的数据 就传 输成 功 了 。若 是被 其他 蓝牙 源节 点抢先 建 立 链 接 成 功 ， 就 只 有 等 待 下 一次 的蓝 牙路 由节 点发起 链接 。蓝牙 源节 点软 件流 程如 图 5所示 。 3 ． 3上 位 机 软 件 设 计 上位 机软件 的主要 功能 是实 时监 测液 压 支架压 力 的变 化 ， 对液 压 支 架 的 压 力 进行 分 析 管 理 。上位 机软件 功 能模块 主要 包括 档 案管 理 、 系统管 理 、 实 时 显示 、 历史 数据 显 示 及 导 出 等模 块 。在 矿 井增 添 或 修 改压 力采 集表 后 E 位 机 软 件 中需 要先 录入 压 力 采 集表 信息 ， 只有 录入压 力采 集表 的信 息后 ， 上 位机 第 4 2卷 第 7期 2 0 1 6年 7月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i on V0 1 ． 4 2 NO ． 7 J u 1 ．2 0 l 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 6 0 7 0 0 7 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 2 0 翟国栋 ， 苏一新 ， 高培源． 探测机器人电气系统设计[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 7 7 9 8 2 ． 探测】I 『【 器入电气系统设计 翟 国栋 ， 苏一 新 ， 高培 源 中 阂矿业 大学 北 京 机 电与信 息 工程 学 院 ， 北 京 1 0 0 0 8 3 摘要 为 了提 高探 测 机 器人 的 智 能 化 ， 设 计 了一 种 以 AR M 架 构 为 核 心 的 电 气 系统 。该 系统 采 用 2 ． 4 GHz 无 线通 信 、 电动机 闭环控 制 、 多 自由度 机 械 臂 控 制 以及 多传 感 器信 息 融 合 等技 术 ， 实现 了避 障 、 越 障 、 定位 、 通 信 、 传感 器测 量等 功 能 ； 利 用光 伏效 应 和改进 爬 山法进 行 最 大功 率 点追 踪 ， 解 决 了探 测 机 器人 能 耗 问题 。 关键 词 探 测机 器人 ；电 气 系统 ；光伏 发 电 ；MP PT 中 图分类 号 T D6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 6 0 7 0 5 1 5 0 5 网络 出 版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 。 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 7 0 5 ． 1 5 0 5 ． 0 2 0 ． h t ml De s i g n o f e l e c t r i c a l s y s t e m f o r e xp l o r a t i o n r o b ot ZH AI Gu o do ng． SU Yi x i n． GA Pe i yu a n Sc ho ol o f M e c h a ni c a l El e c t r on i c a nd I nf or ma t i o n Eng i ne e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Be i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r de r t o i mpr o ve i nt e l l i ge nc e o f e x pl o r a t i o n r o bo t ， a n e l e c t r i c a l s y s t e m t a ki ng ARM 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 - 2 5 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 5 1 6 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 中央高校基本科研 业务费专项资金资助项 目 2 0 1 4 Y J 0 2 。 作者 简介 翟罔栋 1 9 7 3 一 ， 男 ， 河北高碑店人 ， 高级 r 程师 ， 博士 ， 主要从事机电 专业 的教学 、 科研T作 ， E ma i l z g d c u mt b ． e d u ． c n 。 网 5 蓝 牙 源 节 点 软 件 流 程 软件 才会 显 示压 力 采 集 表 的状 态 ， 这 个 功 能 由档 案 管理 模块 完 成 。系统 管理 模块 主要 用 于添 加修 改或 删 除用 户 的信息 。实 时显 示模 块 能够 实 时显示 支架 压力 数据 。历史 数据 显示 及 导 出模 块 主要 用 于以 日 报表 形 式对 信息 进 行 处 理 显示 ， 用 户 选 择需 要 导 出 的 日期 ， 即 可导 出 当天 的 日报 表 。 4 结语 液 压 支 架 是矿 井 综 采 工作 面 的重 要 工作 设 备 ， 实 时监控 液压 支架 压力 是很 有必 要 的 。基 于蓝 牙 自 组 网的液 压支 架压 力监 测 系统通 过蓝 牙技 术组 建无 线 自组 网 ， 解 决 了繁 杂 的 布线 问题 ， 性能 稳 定 ， 能 够 实时显示和监测液压支架压力值 ， 数据传输速率快 。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵端 ， 纵鑫 ． 基 于 Z i g B e e 技 术 的井 下 液压 支架 压力 监 测系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 o l 4 ， 4 0 1 3 l 3 d ． [ 2 ] 王桃 ， 刘晓文 ， 乔欣 ， 等． 基于无线 传感 器网络的液压 支 架压力监 测 系统 设计 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 O l d ， 4 0 6 7 1 0． [ 3 ] 宋析 ， 朱华 ， 薛永刚． 蓝牙 技术在煤 矿数 据传输 中 的应 川[ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 0 7 ， 3 3 3 1 5 ． [ 4 ] 李 晶莹． 蓝牙 AD Ho c网 络拓 扑 彤 成算 法 研究 [ D] ． 南京 南京理工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 刘奕君 ， 卞水荣 ， 藏 吴 ， 等． 一 种链 式无线路由协议 的液 压 支架 压 力监 测 系 统 设 计 [ J ] ． 计 算 机 测量 与 控 制 ， 20】 5． 2 31 O 3 44l 3 44 3．