基于CC2530煤矿液压支架监测系统研究

王青青

摘要：针对目前煤矿工作面液压支架压力监测方面的需求， 设计了一套基于CC2530的煤矿井下液压支架压力监测系统，系统采用CC2530为核心的ZigBee为无线通信方式，结合煤矿的具体应用环境，确定了系统的网络结构，阐述了系统的硬件结构、软件流程设计，并通过实验证实系统的实用性。

关键词：液压支架；监测系统；CC2530

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）27-0249-02

目前我国能源生产中，煤炭每年的总消耗量再能源的消费总量构成中，还是占据主导地位，每年的煤炭消耗总量成直线增加。随着煤矿开采的需求不断提高，煤矿的开采高度不断增大，自然对液压支架的支护要求也随之提高，液压支架方面的投资与日俱增，如果对液压支架的选型与设计[1]具有盲目性，那么矿井实现安全高效生产就会产生很重大的问题。矿井液压支架是综合机械化采煤的重要综采设备[2]。矿井液压支架压力监测就是关乎安全生产的一个重要方面，针对当前煤矿井下普遍存在的基于CAN总线的压力監测系统，本文提出一种基于CC2530、利用短距离无线通信ZigBee技术来实现的煤矿液压支架监测系统。

1 ZigBee 技术介绍

现阶段比较常用的短距离无线网络技术分别是 Wi-Fi （IEEE802.11）、蓝牙 （Bluetooth）、 IrDA、ZigBee 等技术。ZigBee 技术是一 种短距离、低复杂度、低能耗、低数据传输率和低成本的双向无线通信技术，其特点主要有以下几点：

1） 低成本：协议简单，数据传输速率低，从而降低了成本；

2） 功耗低：一定的等待期后，自动进入休眠模式；

3） 网络容量大：最多可容纳65000个设备；

4） 毫秒级时延相应：休眠激活时延、搜索设备时延、活动设备信道接入时延都是毫秒级；

5） 自组织型网络：可靠，网络自愈能力强；

6） 数据安全：ZigBee采用安全度极高的文本加密算法，保证网络通信过程中数据安全；

7） 工作在免费频段：频段灵活，使用自由。

2 系统实现

系统的机构设计如图1所示： 每个液压支架安装一个压力传感器采集节点，该节点采用电池供电。每个压力传感器采集节点带有3路压力传感器，分别采集支架前柱压力、后柱压力和前伸梁的压力值。系统的工作流程是，首先压力传感器节点负责压力采集，并定时进行压力数据的无线发送，路由节点负责接收采集节点发送的数据，并将接收到的压力值进行一定程度的数据融合，融合后通过多跳的方式发送给Sink节点，Sink节点完成与井上监控中心的信息传递。为了更好地提高系统的可靠性，保证系统的安全性，系统设定压力超限或者连续两次压力采集值变化超限时，压力传感器采集节点进行灯光报警，方便井上监控中心及时在上位机监控软件中监测到。

2.1 硬件模块设计

CC2530是用于2.4G射频体系、符合ZigBee短距离无线通信标准的一个真正的片上系统解决方案，能够组建成本低，网络容量大，网络自愈能力强的无线传感网络。CC2530拥有领先的RF收发器优良性能，一个符合工业标准的增强8051内核MCU，具有不同的运行模式，满足低功耗系统的要求，CC2530工作在2.4GHz，该频段是开放频段，可以自由使用。CC2530 硬件平台的结构框图如图2所示。

顺利地进行压力采集，终端节点中要加入压力传感器硬件结构，同时需要在终端节点中加入相应的传感器驱动程序，并在Z-Stack协议栈的应用层中对程序进行的修改，在协议栈中添加对液压支架压力采集数据的读取程序。这样才能正常通过压力传感器节点采集到液压支架的压力值，采集到压力信息通过无线网络发送到路由节点，再通过路由节点发送到Sink节点，终端节点、路由器、协调器能够准确无误地控制终端节点[3]。

2.2 软件流程设计

系统选用几种短距离通信中比较低功耗的ZigBee技术，软件是美国德州仪器公司开发Z-Stack 协议栈。该协议栈的物理层、媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4——国际电信联盟所制定的标准，第三层网络层和上层应用层遵循的标准是是ZigBee联盟制定的，对于具体的应用场景，用户根据自己的系统功能，对应用层做出相应的定义[4]。本系统软件设计主要是：节点开始启动时协议栈启动流程、终端节点申请入网流程以及节点间的绑定的软件流程。

1） 协议栈启动：当设备上电启动时，首先必须要进行初始化，关闭所有中断，进行时钟的初始化，监测芯片电压，初始化堆栈，初始化硬件模块、硬件的监测、初始化非易失存储量，初始化应用层，初始化操作系统，初始化完成后，打开所有中断，进入任务轮询状态，轮询要执行的任务。具体启动过程如图3所示。

2） 节点入网：协调器首先启动并完成初始化，扫描周围可用信道选择一个可用的信道，配置好自己网络 ID，等待节点的加入。节点启动时，首先启动协议栈，进行堆栈、数据链路、应用层的各种初始化，然后根据预先配置好的网络 ID，搜寻网络。协调器在等待节点加入的过程中，不断扫描信道，不断对入网请求进行侦听，看看有没有与自己网络 ID 匹配的入网请求，并对相应的请求做出判断，如果有与自己网络ID相匹配的请求，则允许节点加入网络，为节点分配短地址。而节点入网流程如图4 所示。

3） 节点间的绑定： 节点成功加入网络以后，还需要进行节点间的绑定，实质上是节点与协调器在应用层上的一个逻辑上的链接，协调器会首先启动绑定计时器，等待节点发送绑定请求，一旦收到绑定请求，就做出回复，节点收到回复后再发送一个绑定响应，协调器再进行响应，这样通过三次请求、响应，完成绑定。绑定完成后协调器够收到节点的采集数据，节点能收到协调器的控制指令。节点绑定的流程如图5 所示。

3 实验结果

最后，我们将系统测得的数据和标准液压压力计测得的数据进行对比分析。随机选择3个压力传感器采集节点的数据，可以看到如表1所示。该采集到数据与标准液压压力计测得的数据吻合性很高。

4 结束语

基于CC2530的煤矿液压支架监测系统，采用ZigBee无线通信技术，应用于煤矿井下液压支架压力的测量，通过路由节点、Sink节点能准确地将信息传递到井上上位机监控端，并能及时在压力异常时进行报警，采用ZigBee无线通信技术，无需布线，安装简单、易行，实时性强、成本低廉、具有测量准确、易于扩展的特点。

参考文献：

[1] 郭保华，涂敏.浅谈我国大采高技术[J]. 中国矿业大学， 2013， 12（10）.

[2] 钱鸣高.从围岩移动的力学关系论采场支架基本参数的决定[J].煤炭科学技术，1978（11）.

[3] 深圳市威百仕集成电路有限公司[M]. VIC-SP3SK2用户手册， 2006.

[4] 乐强. WiMAX Mesh 网络技术分析[J].信息安全与通信保密， 2012（8）.endprint