基于無線通信的礦井排水系統(tǒng)節(jié)點的設(shè)計

曲阜師范大學(xué) 高 原山東省昌邑市環(huán)境保護局 陳雅妮

基于無線通信的礦井排水系統(tǒng)節(jié)點的設(shè)計

曲阜師范大學(xué) 高 原
山東省昌邑市環(huán)境保護局 陳雅妮

離心泵是礦井排水系統(tǒng)的核心部分,排水控制系統(tǒng)中控制器、管道液位傳感器、球閥、水位傳感器、流量傳感器等組成部件對離心泵的狀態(tài)進行監(jiān)測與控制。由于組成排水系統(tǒng)的各傳感器與控制器大部分在泵房中工作,利用無線通信技術(shù)來進行數(shù)據(jù)傳輸可以實現(xiàn)較高實用價值。本文介紹了排水控制系統(tǒng)中節(jié)點的設(shè)計方案,并加入到管道液位傳感器中,使該傳感器具備了靈活、通信簡便、方便維護的特點。

無線數(shù)據(jù)傳輸;ADF7020;數(shù)據(jù)采集

0 引言

由于有線網(wǎng)絡(luò)在井下存在各種不足,使得把無線通信網(wǎng)絡(luò)引入到泵房排水控制系統(tǒng)具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義。由此本文提出一種基于無線通信技術(shù)的傳感器節(jié)點的設(shè)計。

1 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示,礦井排水系統(tǒng)由工控機、通信分站和各傳感器及執(zhí)行器等節(jié)點等組成。工控機通過RS485總線與通信分站通信并對各個傳感器與執(zhí)行機構(gòu)進行數(shù)據(jù)采集與控制,并實時顯示排水系統(tǒng)工作狀態(tài);通信分站與各傳感器及執(zhí)行器之間形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),通信分站對工控機的信號進行處理并負責(zé)與各傳感器和執(zhí)行機構(gòu)進行無線數(shù)據(jù)交換;各節(jié)點內(nèi)部均集成射頻模塊,通過微處理器對數(shù)據(jù)進行采集存儲發(fā)送等相關(guān)命令。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 節(jié)點硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點在傳輸距離、功耗、穩(wěn)定性等方面具有較高要求,其核心模塊的性能將直接影響節(jié)點性能。設(shè)計中采用ADF7020作為模塊的核心元件,相比傳統(tǒng)CC2420它在通信距離穿透能力以及靈敏度等方面具有優(yōu)勢。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,由數(shù)據(jù)采集電路、處理器電路、射頻電路、電源電路、天線等組成。其主要任務(wù)是接收發(fā)送其他節(jié)點數(shù)據(jù)包,通過傳感器采集實時數(shù)據(jù),執(zhí)行通信分站傳出的命令。

圖2 節(jié)點硬件組成

2.1 射頻電路

核心模塊為ADF7020,它是一款收發(fā)半雙工的低功耗芯片,工作電壓范圍為2.3V到3.6V,工作頻率可以適用433MHZ、868MHZ、915MHZ的ISM頻段,輸出功率可編程,范圍可以從-20dBm到+13dBm,內(nèi)部集成了功率放大器、低噪聲放大器、鑒相器、壓控振蕩器等無線通信需要的功能模塊。設(shè)計中選擇采用GFSK模式,工作頻率433Mhz,發(fā)射功率10dBm,采用接收模式的功率19mA,發(fā)射模式功率22mA。電路圖如圖3所示:MCU通過SLE控制芯片讀寫信號,通過SCLK、SDATA、SREAD完成具體讀寫操作。電阻R21、R24以及電容C14、C15、C16構(gòu)成環(huán)路濾波器,用以控制壓控振蕩器的輸出頻率。由C18、C19、L2、L3構(gòu)成信號匹配電路,用來調(diào)節(jié)參數(shù)將電路調(diào)節(jié)至最佳PA負載阻抗。 L4、L5、C20構(gòu)成T型絕緣低通LC濾波器,用以滿足相關(guān)機構(gòu)對雜散發(fā)射的要求。

圖3 射頻電路

2.2 處理器電路

無線傳感器節(jié)點要完成數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)以及路由功能,其決定了選用的控制器具有較高的運行速度,較強的運算能力和存儲能力,還需要足夠的程序空間和數(shù)據(jù)空間。本設(shè)計中采用了PIC18F2480芯片,其主要特點是高速度、低電壓、低功耗,片內(nèi)具有8k字節(jié)的ROM和256字節(jié)RAM,具有5個中斷源中斷控制系統(tǒng)。PIC18F2480可通過GPIO接口與射頻芯片ADF7020通信,其管腳連接如圖3、4標(biāo)注所示。

圖4 處理器電路

2.3 信號采集電路

如圖5所示,該信號采集電路為管道液位傳感器采集電路。 X1、X2為兩金屬電極,F1為SMBJ6.5CA,該瞬態(tài)抑制二極管避免了來自電極的瞬態(tài)高能量沖擊。N2、N3為AQW210S光耦繼電器,它將控制電路與外部電路實現(xiàn)電氣隔離。U1A、U1B采用LM258芯片,該集成運算放大器兩部分的作用分別用作電壓跟隨器和電壓比較器,VR1為電位器,用來調(diào)節(jié)測量的靈敏度。光耦E1將采集信號與控制信號進行隔離并把信號傳送至處理器?？刂破魍ㄟ^控制OE1、OE2兩端的電平狀態(tài)就可以控制電極的輸出。

圖5 信號采集電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計關(guān)鍵在于無線傳輸控制上:物理層設(shè)計中遵循CSMA/CA機制,發(fā)送數(shù)據(jù)前監(jiān)聽信道是否占用,如果占用則延時一個隨機時間再次監(jiān)聽信道,如果空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)。如果反復(fù)超過規(guī)定次數(shù)則放棄該數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計中遵循最小跳數(shù)路由算法,當(dāng)節(jié)點上電后則立即建立到相鄰節(jié)點的路由,當(dāng)連接到通信分站后選擇跳數(shù)最小的節(jié)點作為父節(jié)點進而形成了樹形拓撲結(jié)構(gòu)。在工控機發(fā)送采集命令過程中,只需從路由表中查出集中器到采集器的路由地址,采集器收到查詢命令后,控制ADF7020發(fā)送回執(zhí)數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

圖6 發(fā)送流程圖

4 系統(tǒng)總結(jié)

基于無線通信技術(shù)來構(gòu)建礦井排水系統(tǒng),具有使用方便,易于維護,工作可靠的特點。文章從排水系統(tǒng)節(jié)點出發(fā),從硬件和軟件兩個方面展開介紹。整個系統(tǒng)其他節(jié)點均采用無線通信方式,以單片機控制實現(xiàn)各不同傳感器和執(zhí)行器數(shù)據(jù)的無線收發(fā),進而組成新的井下排水控制系統(tǒng)。

[1]謝紅,冀少威。液位傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J]。應(yīng)用科技,2009(11)。

[2]段輝偉。液位測控技術(shù)研究[J]。自動化與儀器儀表,2010(01)。

[3]Analog Devices。ADF7020-1 User's Guide。Analog Devices Inc,2005.

[4]孫利民,李建中,陳渝。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]。清華大學(xué)出版社,2005.

高原(1987-),男,山東日照人,碩士,主要研究方向:自動化控制。