基于Zigbee 的溜井料位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉振興　孔維社

摘要：該文介紹了一種利用無線技術(shù)檢測(cè)煤礦溜井料位的檢測(cè)系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的硬件原理設(shè)計(jì)，軟件的編制。該系統(tǒng)以CC2530為核心，由節(jié)點(diǎn)傳感器、控制主機(jī)組成。節(jié)點(diǎn)傳感器采集溜井壁壓力的變化情況，將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送給控制主機(jī)，控制主機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)顯示出來，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)溜井料位高度的檢測(cè)與分析。

關(guān)鍵詞：溜井檢測(cè)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；CC2530

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）13-0227-03

Abstract： The paper proposed a design of material level measuring system for Ore Pass Based on ZigBee， described the principle of Hardware and software. The core of this system whichs consisted of sensors and control machine is CC2530. The pressure data of ore pass are transfered to control machine by sensors by wireless， and displayed on host computer. In this way， The analysis and dection of material level is realized.

Key words： material level measure for ore pass； wireless sensor； CC2530

礦井中的煤倉和溜井的煤位檢測(cè)是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。礦山開采中，隨著自動(dòng)化程度的提高和數(shù)字化礦山的建設(shè)，對(duì)生產(chǎn)效率要求越來越高，對(duì)生產(chǎn)安全越來越重視，因而對(duì)溜井作業(yè)的監(jiān)控要求也越來越高。由于溜井深度大、直徑小，在運(yùn)煤的過程中經(jīng)常堵塞，而又無法確定具體的堵塞位置，在疏通的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)人員傷亡事故。為了保證煤礦正常生產(chǎn)，在運(yùn)輸過程中必須對(duì)溜井的料位有所了解，這對(duì)保證安全生產(chǎn)，提高開采效率，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 系統(tǒng)概述

在煤炭運(yùn)輸?shù)倪^程中，多數(shù)情況需要將煤炭從地勢(shì)較高的位置運(yùn)輸至地勢(shì)較低的位置，為了節(jié)約運(yùn)輸成本提高運(yùn)輸效率，會(huì)在礦山中從上之下打通一個(gè)傾斜的運(yùn)煤管道，稱之為溜井。運(yùn)輸時(shí)，直接將煤或矸石傾倒在溜井口，自然滾落至溜井底部，然后由車輛將煤或矸石運(yùn)走。通過溜井，既可以達(dá)到快速運(yùn)輸?shù)哪康?，又可以通過物料的自然下落實(shí)現(xiàn)粉碎物料的目的。溜井深度根據(jù)地勢(shì)不同而各不相同，最深的可達(dá)百米，而直徑僅有一兩米，這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致溜井容易堵塞，而具體的堵塞位置難以判斷，只能通過人工方式慢慢排查，較容易出事故，所以檢測(cè)溜井料位檢測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。

該系統(tǒng)由兩部分組成：控制主機(jī)和節(jié)點(diǎn)傳感器。控制主機(jī)安裝在溜井口附近，節(jié)點(diǎn)傳感器安裝在溜井壁上?？刂浦鳈C(jī)和節(jié)點(diǎn)傳感器通過無線方式通訊。節(jié)點(diǎn)傳感器利用壓力測(cè)量原理，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)周圍是否存在物料，并將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至控制主機(jī)?？刂浦鳈C(jī)根據(jù)節(jié)點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)來判斷溜井內(nèi)的物料狀況。布置圖如圖1所示。

料位的測(cè)量精度與節(jié)點(diǎn)傳感器布置的密集程度相關(guān)聯(lián)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)量精度的要求來控制節(jié)點(diǎn)傳感器的安裝數(shù)量。溜井物料測(cè)量所要求的精度一般不高，可以間隔5米布置一臺(tái)節(jié)點(diǎn)傳感器，在溜井的上下倉口各安裝一臺(tái)控制主機(jī)，方便上下倉口觀察溜井內(nèi)的物料情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溜井堵塞位置。

2 硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)傳感器和控制主機(jī)采用ZigBee無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)，傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低。

2.1 節(jié)點(diǎn)傳感器設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)傳感器由壓力傳感器組件、單片機(jī)控制電路、無線通信模塊和電池供電電路四部分組成，如圖2所示。

壓力傳感器組件鋪設(shè)在溜井壁的表面，當(dāng)溜井內(nèi)有物料時(shí)壓力傳感器的數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生變化；單片機(jī)控制電路采集壓力傳感器數(shù)據(jù)狀態(tài)的變化來判斷溜井內(nèi)是否存在物料，并將數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)送給控制主機(jī)。無線通信模塊由CC2530實(shí)現(xiàn)。其硬件電路如圖3所示。

無線通訊模塊CC2530通過UART與單片機(jī)控制電路進(jìn)行通訊。

2.2 控制主機(jī)硬件設(shè)計(jì)

控制主機(jī)由單片機(jī)控制電路、無線通信模塊、液晶顯示模塊和電源模塊等四部分組成，如圖4所示。

無線通訊模塊接收節(jié)點(diǎn)傳感器上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過UART傳輸給單片機(jī)控制電路，單片機(jī)控制液晶屏將料位信息顯示出來，實(shí)現(xiàn)溜井內(nèi)物料的可視化。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)共包含兩個(gè)方面：節(jié)點(diǎn)傳感器發(fā)送軟件設(shè)計(jì)和控制主機(jī)接收軟件設(shè)計(jì)。

3.1 節(jié)點(diǎn)傳感器軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)傳感器的軟件開發(fā)基于MPLAB編程環(huán)境，主要包括初始化、搜索主節(jié)點(diǎn)、發(fā)送數(shù)據(jù)等，其流程圖如圖5所示：

節(jié)點(diǎn)傳感器初始化完成后，向主機(jī)發(fā)送位置（編號(hào)）信息并等待主機(jī)回復(fù)，收到回復(fù)后則進(jìn)入工作狀態(tài)，向主機(jī)發(fā)送當(dāng)前的壓力情況；如果位置（編號(hào)）信息發(fā)送5次后仍然得不到主機(jī)回復(fù)，則進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.2控制主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

控制主機(jī)的軟件開發(fā)基于MPLAB編程環(huán)境，主要包括初始化、搜索從節(jié)點(diǎn)、接受數(shù)據(jù)、液晶顯示等，其流程圖如圖6所示：

控制主機(jī)初始化完成后，開始巡檢從節(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置（編號(hào)）信息后則將該節(jié)點(diǎn)置于在線狀態(tài)，并接收該從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的壓力信息；如果一直未收到某從節(jié)點(diǎn)的位置（編號(hào)）信息，則將該從節(jié)點(diǎn)置于掉線狀態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測(cè)試基于zigbee的溜井料位檢測(cè)系統(tǒng)是否穩(wěn)定有效，將該系統(tǒng)置于貴州某煤礦試驗(yàn)了一個(gè)月。所測(cè)試的溜井深度為20米，直徑1.0米。將節(jié)點(diǎn)傳感器沿溜井圓周擺布，縱向間距5米，共3層，每層10個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器，共30個(gè)，檢測(cè)范圍為5～15米。如圖7所示。

5 結(jié)束語

基于zigbee的溜井料位檢測(cè)系統(tǒng)通過可以有效的檢測(cè)溜井內(nèi)的料位情況，并通過上位機(jī)顯示出來，實(shí)現(xiàn)溜井內(nèi)物料信息的可視化。該設(shè)計(jì)只能大致顯示溜井內(nèi)的料位情況，檢測(cè)的精度取決于節(jié)點(diǎn)傳感器的布置。下一步需要優(yōu)化該設(shè)計(jì)，以提高測(cè)量的精度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱琎， 楊占勇. 基于CC2530的無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2012（8）.

[2] 石志軍， 劉艷章， 葉義成等. 礦山溜井全景掃描裝置研制[J]. 工礦自動(dòng)化，2013， 39（12）： 8-12.

[3] 鄭茂全， 侯媛彬. 基于CC2530的井下人員信息采集模塊設(shè)計(jì)[J]. 工況自動(dòng)化， 2012（6）： 7-12.

[4] 萬正道. 李樓鐵礦溜井料位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 煤礦機(jī)電， 2015（2）： 64-68.