基于ZigBee的超低功耗凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)
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黎 冠 劉永濤 卜祥麗 翟延忠
（華北科技學(xué)院安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京101601）
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)煤礦立井施工測(cè)溫系統(tǒng)不易布線的問題，開發(fā)了基于ZigBee協(xié)議棧BitCloud的超低功耗凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)以ATmega128RFR2作為協(xié)調(diào)器和路由器的控制核心，利用單總線測(cè)溫技術(shù)，構(gòu)成了一個(gè)多路由的樹型網(wǎng)絡(luò)。給出了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)和超低功耗設(shè)計(jì)。實(shí)際凍結(jié)工程項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)溫系統(tǒng)穩(wěn)定，溫度數(shù)據(jù)可靠，無線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)壽命大于井壁澆筑施工周期。與傳統(tǒng)測(cè)溫方法相比，該測(cè)溫系統(tǒng)的施工難度進(jìn)一步簡(jiǎn)化，無線組網(wǎng)方式更為靈活。
關(guān)鍵詞：ZigBee單總線z- StackDS18820礦井溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TH7；TP277 DOI：10. 16086/j. cnki．issnl000 - 0380. 201605012
0引言
在煤礦井筒凍結(jié)法鑿井施工過程中，混凝土凝固過程釋放大量的熱量，故井壁混凝土溫度監(jiān)控對(duì)井壁施工質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)礦井凍結(jié)法施工過程中一般多采用溫度傳感器多點(diǎn)測(cè)溫。近年來，出現(xiàn)很多新的研究。利用傳感器的寄生電源供電，實(shí)現(xiàn)了單總線超遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測(cè)溫；采用nRF905射頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)井壁壓力和溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，但是需要外接電源，不便施工布線。目前，較為先進(jìn)的井壁測(cè)溫方式是光纖測(cè)溫法。通過光纖拉曼(Raman)散射現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)光纖沿線溫度測(cè)量。光纖測(cè)溫不怕電磁干擾、抗腐蝕性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，但設(shè)備成本過高，不能在凍結(jié)井壁施工中廣泛地推廣應(yīng)用。隨著近幾年ZigBee無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)測(cè)控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
結(jié)合煤礦凍結(jié)工程施工實(shí)際需求，針對(duì)千米凍結(jié)井施工項(xiàng)目，采用單總線測(cè)溫傳感器，采集凍結(jié)壁內(nèi)多點(diǎn)混凝土固化溫度；在凍結(jié)井筒內(nèi)構(gòu)建Zig Bee無線通信網(wǎng)絡(luò)，將各溫度數(shù)據(jù)傳送至井口網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控PC，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)井壁溫度監(jiān)測(cè)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1無線組網(wǎng)方案
Zig Bee網(wǎng)絡(luò)有星型、樹型和網(wǎng)狀型3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)凍結(jié)井筒的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)特殊要求。①測(cè)溫傳感器一旦施工安裝后，就不能取出更換，電源采用電池供電。因此，只能在有限的能量供給下，盡可能延長(zhǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的壽命。設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮能量消耗和能量均衡等問題。②對(duì)傳感器采樣速率、響應(yīng)時(shí)間要求不是很高。③MCU的資源有限，不宜進(jìn)行比較復(fù)雜的路由計(jì)算。綜合以上分析，系統(tǒng)采用樹型組網(wǎng)方案。
1.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
井壁Zig Bee無線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)角色可分為：協(xié)調(diào)器、路由器和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。路由器不僅具有溫度采集的功能，而且具有路由功能，即與附近測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，收集并轉(zhuǎn)發(fā)溫度數(shù)據(jù)，最終將溫度數(shù)據(jù)傳達(dá)至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)將收到的各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，包括實(shí)時(shí)曲線、預(yù)測(cè)曲線以及歷史曲線顯示。同時(shí)，路由器還具有可將數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫和設(shè)置報(bào)警等功能。
2測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
2.1測(cè)溫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
當(dāng)前主流ZigBee芯片的靈敏度、收發(fā)電流等參數(shù)進(jìn)行了比較，根據(jù)結(jié)論，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)均采用Atmel公司的ZigBee芯片ATmega128RFR2實(shí)現(xiàn)，硬件電路結(jié)構(gòu)基本相同。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與數(shù)字溫度傳感器DS18 B20通信，獲取溫度數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器。路由器自身在完成測(cè)溫功能的同時(shí)，還需要轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
測(cè)溫節(jié)點(diǎn)主要由主控芯片ATmega128RFR2、DS18 B20溫度傳感器、振蕩芯片748421245、DS18 B20驅(qū)動(dòng)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302和供電單元組成。
2.2主控芯片
Atmel公司的ATmega128RFR2是基于AVR增強(qiáng)RISC架構(gòu)的低功耗CMOS 8位MCU。它集成了用于2.4 GHz ISM頻段的高數(shù)據(jù)速率收發(fā)器，具有135條功能強(qiáng)大的指令；具有128 k B系統(tǒng)自編程的閃存、8 k B/4 k B/2 k B EEPROM及32 k B/16 k B/8 k B SRAM,主要用于ZigBeeR/IEEE 802. 15.4- 2011/2006/2003TM全功能設(shè)備、帶MCU的通用2.4 GHz ISM收發(fā)器以及RF4CE、SP100、WirelessHARTTM、ISM應(yīng)用和IPv6/6 LoWPAN。ATmega128RFR2具有多種功耗運(yùn)行模式，尤其適用于超低功耗要求的系統(tǒng)。其發(fā)射電流14.5 m A、接收電流12.5 m A、休眠電流小于1yA，確保了低電能消耗符合凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)超低功耗的要求。
2.3溫度采集
本系統(tǒng)選用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，采用寄生電源供電。所謂寄生供電是指DS18 B20通過兩線制（數(shù)據(jù)線和地線）與MCU進(jìn)行連接，既用來給傳感器提供電能，又用來傳輸數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用過程中，電源與數(shù)據(jù)線之間通過一個(gè)4.7 kΩ上拉電阻連接。DS18 B20內(nèi)置寄生電容，數(shù)據(jù)線高電平期時(shí)儲(chǔ)存電能，低電平期內(nèi)消耗內(nèi)部電容里的能量工作，如此往復(fù)循環(huán)。當(dāng)總線上并聯(lián)傳感器較多時(shí)，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于單總線兩線制測(cè)溫，進(jìn)行了深入探討，本文不再詳述。
2.4供電單元設(shè)計(jì)
由于無線測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)施過程都是一次性施工，所以每個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和路由器都必須滿足超低功耗、長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的要求，待機(jī)時(shí)間至少是一個(gè)井壁澆筑周期的1.5倍。本設(shè)計(jì)中，選擇ATmega128 RFR2超低功耗芯片作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的主控制器。ATmega128 RFR2具有較寬的工作電壓范圍(1.8~3.6 VDC)和工作頻率(0~ 16 MHz)，系統(tǒng)的功耗比其他方案降低了很多。另外，DS18B20工作電壓為3～5 VDC，采用兩線制寄生電源供電，可大大降低DS18 B20的功耗。選用升壓芯片MAX1675，為系統(tǒng)提供+3.3 V電壓。對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的討論，這里借用其結(jié)果進(jìn)行功耗計(jì)算分析。供電單元采用18650鋰電池，根據(jù)測(cè)算結(jié)果，理論上網(wǎng)絡(luò)壽命達(dá)到8個(gè)月。
3軟件設(shè)計(jì)
軟件部分主要包括測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件控制程序設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的軟件開發(fā)環(huán)境為IAR5.5，采用匯編語言和C語言混合編程。監(jiān)控計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件采用工業(yè)組態(tài)軟件FameView，實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)。通過Modbus RTU通信協(xié)議組態(tài)，利用串口無線RS-485/232通信接口，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。
3.1控制程序
主要程序流程如圖3所示。程序采用模塊化編程的方法。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，并通過路由器擴(kuò)張其網(wǎng)絡(luò)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)就近選擇路由器入網(wǎng)。溫度采集采用兩線制單總線通信方式。DS18B20對(duì)總線操作時(shí)序要求非常嚴(yán)格，編程時(shí)，采用混合式編程，即采取C語言嵌入?yún)R編語言的編程方式，其他子程序采用C語言編寫。
BitCloud是Atmel公司開發(fā)的一個(gè)全功能、專業(yè)級(jí)的嵌入式ZigBee協(xié)議棧，類似TI的Z- Stack。它提供了一個(gè)安全可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)，可運(yùn)行在Atmel的MCU及無線收發(fā)器上。區(qū)別于Z - Stack的開源形式，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)描述的各層次的功能組件模塊，在BitCloud中核心棧內(nèi)容以封裝庫的形式呈現(xiàn)。
3.2上位機(jī)監(jiān)控
上位機(jī)監(jiān)控軟件采用工業(yè)組態(tài)軟件FameView7.6.9進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)、Modbus協(xié)議通信驅(qū)動(dòng)組態(tài)以及數(shù)據(jù)歸檔處理。畫面顯示可以顯示當(dāng)前各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，還可以繪制出未來指定時(shí)間的預(yù)測(cè)曲線。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了操作人員權(quán)限設(shè)置、歷史趨勢(shì)曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢以及報(bào)表打印等功能。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
4.1測(cè)試實(shí)驗(yàn)
基于ZigBee的超低功耗凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)在某煤礦風(fēng)井施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試過程主要有測(cè)溫電纜敷設(shè)和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的安裝。無線測(cè)溫系統(tǒng)分布如圖4所示。
測(cè)試重點(diǎn)是各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)能否將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送至路由器，路由器將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器最終將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。上位機(jī)放置在地面監(jiān)控機(jī)房，協(xié)調(diào)器安裝在凍結(jié)井口。第1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)與測(cè)溫協(xié)調(diào)器的距離為200 m，第2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)與第1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的距離為220 m，第3個(gè)路由節(jié)點(diǎn)與第2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的距離為180 m。每個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)連接一根測(cè)溫電纜，電纜上并聯(lián)連接5—12個(gè)DS18B20溫度傳感器，共計(jì)40個(gè)DS18B20。
4.2低功耗設(shè)計(jì)與分析
由于是采用電池供電，系統(tǒng)采用超低功耗模式運(yùn)行，即采用間歇式測(cè)溫。測(cè)試節(jié)點(diǎn)連接了8個(gè)DS18B20，設(shè)置測(cè)溫時(shí)間間隔為5s，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔5s采集一次溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)搜索一次路由，其他時(shí)間進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。供電單元電池容量為2 200 m A。節(jié)點(diǎn)實(shí)際耗電情況如表1所示。測(cè)試開始后，每天測(cè)量電池的能量消耗情況，表1給出了每隔7天的電池電壓數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，該測(cè)溫節(jié)點(diǎn)運(yùn)行36天后，電池電壓有0.13 V的壓降。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，可以推算出在100%滿電量情況下，該測(cè)溫節(jié)點(diǎn)可以正常運(yùn)行170天左右。若時(shí)間間隔設(shè)置為12 s，則該測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間能夠達(dá)到360天，滿足凍結(jié)井壁施工周期的要求。
從開始澆筑混凝土，到敷設(shè)測(cè)溫電纜48 h后的溫度數(shù)據(jù)曲線圖，如圖5所示。
圖5中，從4~8號(hào)測(cè)溫傳感器的溫度數(shù)據(jù)曲線可以看出，井壁混凝土水化熱釋放溫度曲線符合國家的標(biāo)準(zhǔn)曲線。通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，省去了通信電纜和電源電纜敷設(shè)，布線施工更加方便，為進(jìn)一步研究?jī)鼋Y(jié)井溫度場(chǎng)分布規(guī)律、凍結(jié)井壁混凝土水化熱釋放規(guī)律以及井壁災(zāi)害預(yù)防提供有效的數(shù)據(jù)支持。
5結(jié)束語
根據(jù)當(dāng)前煤礦立井凍結(jié)井壁施工測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的超低功耗凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)。重點(diǎn)對(duì)協(xié)調(diào)器、路由器和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟硬件、超低功耗模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)與測(cè)試。相比過去的測(cè)溫方法，該測(cè)溫系統(tǒng)的施工更加簡(jiǎn)單，無線組網(wǎng)方式更為靈活。在實(shí)際工程應(yīng)用中，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及低功耗性能。無線測(cè)溫系統(tǒng)的運(yùn)行壽命能夠滿足凍結(jié)井施工周期的需要，可有效地實(shí)現(xiàn)凍結(jié)井施工過程中井壁混凝土溫度數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。本次測(cè)試只測(cè)試了幾個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)、幾十個(gè)傳感器，還不能滿足整個(gè)井壁測(cè)溫的需求。如何擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，延長(zhǎng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)運(yùn)行壽命將是下一步的研究方向。
