《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于藍(lán)牙技術(shù)的采煤機(jī)數(shù)傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2008-03-31
作者:徐瑞華,孫 弋

  摘 要: 針對(duì)采煤機(jī)實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題,提出基于藍(lán)牙微微網(wǎng)" title="微微網(wǎng)">微微網(wǎng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方法。以ARM嵌入式微處理器為核心設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路,采用BlueRS+I模塊實(shí)現(xiàn)微微網(wǎng)的構(gòu)建,并以μC/OS-II" title="C/OS-II">C/OS-II為平臺(tái)完成應(yīng)用軟件的開發(fā)。試驗(yàn)證明,系統(tǒng)工作穩(wěn)定,性能可靠,可滿足采煤機(jī)工作數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?BR>  關(guān)鍵詞: 采煤機(jī) 藍(lán)牙 ARM 微微網(wǎng) GSM 07.10


  采煤機(jī)是工作于煤礦綜采工作面的重要設(shè)備,它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接決定著煤礦生產(chǎn)的效率。而電牽引采煤機(jī)有著液壓采煤機(jī)不可比擬的性能,已成為我國(guó)現(xiàn)代化礦業(yè)開發(fā)的主要設(shè)備。因此,對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及隱患并采取相應(yīng)措施,是提高采煤機(jī)可靠性和安全性的重要手段。
  電牽引采煤機(jī)多以PLC為核心組建電氣控制系統(tǒng),因此對(duì)采煤機(jī)的監(jiān)控主要是針對(duì)PLC數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)PLC本身的監(jiān)控。需要采集的數(shù)據(jù)有:供電電壓、變頻器直流母線電壓、變頻器輸出電壓、變頻器輸出電流、變頻器輸出轉(zhuǎn)矩、變頻器輸出頻率、變頻器溫度、截割電機(jī)溫度、泵電機(jī)溫度、破碎電機(jī)溫度以及PLC的狀態(tài)。
  目前,很多采煤機(jī)生產(chǎn)廠家在采煤機(jī)上配備了工控機(jī)來(lái)完成這一功能。它采集相關(guān)信息并通過(guò)液晶顯示面板在本地顯示。但由于相關(guān)的工程師都工作在地面,無(wú)法實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù),只能采取定期巡檢的方式進(jìn)入綜采工作面查看相關(guān)信息,所以監(jiān)控的有效性和及時(shí)性都很差。因此,迫切需要一套具有高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),將數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳送到地面監(jiān)控站,提高對(duì)采煤機(jī)的監(jiān)測(cè)效率。傳統(tǒng)的采用纜線作為傳輸媒介的數(shù)據(jù)傳輸方式雖然具有很好的可靠性,但是由于采煤機(jī)工作時(shí)要在工作面上來(lái)回移動(dòng),如果采用這種方式,連接采煤機(jī)的纜線及接頭都極易損壞,維護(hù)的工作量很大。因此采用無(wú)線傳輸方式。
  常用的無(wú)線傳輸方式有微波、紅外、GSM、CDMA、藍(lán)牙等。微波、GSM、CDMA等方式傳輸可靠、性能穩(wěn)定,但成本很高,同時(shí)由于發(fā)射功率比較大,當(dāng)射頻電路老化時(shí)(考慮綜采工作面惡劣的環(huán)境,這種情況很容易發(fā)生),容易產(chǎn)生電火花。而綜采工作面是瓦斯?jié)舛容^高的區(qū)域,存在瓦斯爆炸的隱患,故不宜采用。紅外線傳輸雖然功耗低,但是傳輸距離短,同時(shí)對(duì)方向性要求很高,也不適于在采煤機(jī)上使用。藍(lán)牙技術(shù)傳輸可靠、功耗低,同時(shí)成本低廉、組網(wǎng)方便靈活。綜合以上考慮,本文研制了基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于采煤機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),取得了滿意的效果。
1 藍(lán)牙技術(shù)
1.1 藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介
  藍(lán)牙(Bluetooth)是由Bluetooth SIG于1998年5月提出的近距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),用來(lái)替代電纜連接便攜與固定設(shè)備,同時(shí)保證高等級(jí)的安全性。配備藍(lán)牙的電子設(shè)備之間通過(guò)微微網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線連接與通信。微微網(wǎng)(Piconet)是由采用藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備以特定方式組成的網(wǎng)絡(luò)。微微網(wǎng)的建立是由兩臺(tái)設(shè)備(如便攜式電腦和蜂窩電話)的連接開始,最多由8臺(tái)設(shè)備構(gòu)成,每個(gè)設(shè)備都可與處于同一微微網(wǎng)內(nèi)的另外7臺(tái)設(shè)備同時(shí)通信。當(dāng)一個(gè)微微網(wǎng)建立時(shí),主設(shè)備只有一臺(tái),其他均為從設(shè)備,而且在一個(gè)微微網(wǎng)存在期間將一直維持這一狀況。每臺(tái)設(shè)備還可以同時(shí)屬于多個(gè)微微網(wǎng)。微微網(wǎng)在藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)入和離開覆蓋范圍時(shí)自動(dòng)地動(dòng)態(tài)組建。藍(lán)牙技術(shù)工作于無(wú)需許可證的工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)學(xué)頻段(ISM),頻率范圍為2.4G~2.485GHz。覆蓋范圍根據(jù)射頻等級(jí)分為三級(jí):等級(jí)3為1m、等級(jí)2為10m、等級(jí)1為100m。傳輸速率在1.2版本中為1Mbps,在2.0+EDR版本中為3Mbps。
  下面介紹藍(lán)牙技術(shù)主要特點(diǎn)。
  (1)可靠
  為減少來(lái)自共享2.4GHz頻段的其他無(wú)線技術(shù)的干擾,藍(lán)牙采用了自適應(yīng)跳頻(Adaptive Frequency Hopping)方式擴(kuò)展頻譜(Spread Spectrum),將2.4G~2.485GHz頻段分成79個(gè)頻點(diǎn),相鄰頻點(diǎn)間隔1MHz。藍(lán)牙設(shè)備在某個(gè)頻點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)后,再跳到另一個(gè)頻點(diǎn)發(fā)送,而頻點(diǎn)的排列順序則是偽隨機(jī)的,每秒鐘內(nèi)頻率改變1600次。同時(shí)采用前向糾錯(cuò)(FEC)編碼技術(shù),減少遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的隨機(jī)噪聲影響,并應(yīng)用二進(jìn)制調(diào)頻(FM)技術(shù)抑制干擾和防止衰落。
  (2)低功耗
  藍(lán)牙設(shè)備由于定位于短距離通信,射頻功率很低。在射頻等級(jí)為2時(shí),工作狀態(tài)功耗一般為2.5mW(4dBm)。另外,在通信連接狀態(tài)下,除正常的Active 模式外,還有三種低功耗模式——呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式,可進(jìn)一步降低功耗。
1.2 藍(lán)牙規(guī)范
  藍(lán)牙規(guī)范目前已發(fā)展到2.0+EDR版本,但實(shí)際應(yīng)用中以1.2版本為多。各版本的規(guī)范都分為核心系統(tǒng)(core)和應(yīng)用模型(profile)兩部分。核心系統(tǒng)部分包括射頻(RF)、鏈路" title="鏈路">鏈路控制(LC)、鏈路管理(LMP)、邏輯鏈路控制與適應(yīng)(L2CAP)四個(gè)最底層協(xié)議以及通用的業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議(SDP)和通用接入模型(GAP)。而應(yīng)用模型則是根據(jù)具體產(chǎn)品的不同需要而提出的各種協(xié)議組合,如串口" title="串口">串口(Serial Port Profile)、傳真(FAX)、撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)(Dial-up Networking)、耳機(jī)(Headset)、文件傳輸(File Transfer)等。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
  系統(tǒng)由采集單元和集中單元兩部分組成,如圖1所示。采集單元位于采煤機(jī)上,直接與安裝于采煤機(jī)上的工控機(jī)RS232口連接,將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙通道發(fā)送到集中單元;集中單元再由RS485接口通過(guò)電纜將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到地面監(jiān)控站。集中單元也可將數(shù)據(jù)保存在本地,并通過(guò)人機(jī)接口" title="人機(jī)接口">人機(jī)接口在本地查詢、顯示。為防止出現(xiàn)采集單元到集中單元間距離過(guò)遠(yuǎn)或障礙物阻擋藍(lán)牙鏈路的情況,故將多個(gè)集中單元放置在不同地點(diǎn),以保證采集單元始終有可連接的集中單元。


3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
  本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)關(guān)鍵部分:一是核心處理器的選擇;二是藍(lán)牙模塊的選擇。
  核心處理器需要提供足夠的處理能力、兩個(gè)串口控制器和LCD控制器。筆者選擇了三星公司的SC344B0X處理器。S3C44B0X采用ARM7TDMI核心,是一款低功耗、高性能的16/32位RISC微處理器,主頻達(dá)66MHz,板載接口豐富,可以滿足要求。
  藍(lán)牙模塊需要支持串口應(yīng)用模型,同時(shí)提供支持二次開發(fā)的接口。經(jīng)過(guò)大量選型和比較,最終采用了BlueRS+I藍(lán)牙模塊。
  BlueRS+I是由斯圖曼公司出品的BlueRS系列藍(lán)牙適配器之一。BlueRS系列兼容藍(lán)牙規(guī)范1.1~1.2,可選擇具體的型號(hào)支持串口、撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、耳機(jī)、免提、局域網(wǎng)接入等應(yīng)用模型并滿足不同的射頻等級(jí)要求。另外,BlueRS還支持通過(guò)GSM07.10(終端設(shè)備到移動(dòng)基站復(fù)用協(xié)議)組建多點(diǎn)連接的微微網(wǎng)。
  BlueRS最突出的特點(diǎn)是提供了豐富的AT指令集支持二次開發(fā),通過(guò)AT指令可以使模塊完成搜索、鑒權(quán)、連接、釋放等操作。
  BlueRS+I具備以下功能:
  (1)可連接設(shè)備串口到任何藍(lán)牙鏈路;
  (2)數(shù)據(jù)傳輸速度從300bps~230 400bps;
  (3)控制方式有:異步AT命令控制方式、自動(dòng)連接方式、應(yīng)答方式;
  (4)可通過(guò)串口及遠(yuǎn)端進(jìn)行配置。
  系統(tǒng)硬件組成如圖2所示,集中單元比采集單元多了LCD和鍵盤作為人機(jī)接口。其中FLASH選用SST39VF160,2MB;SDRAM選用HY57V65160B,8MB。集中單元的LCD采用2.7英寸的FSTN 16級(jí)灰度屏,160×240像素,直接連接S3C44B0的LCD控制器。


4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
  在軟件設(shè)計(jì)上,系統(tǒng)以采集單元作為主機(jī),集中單元作為客戶機(jī),采用GSM 07.10復(fù)用協(xié)議構(gòu)建點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微微網(wǎng),由采集單元完成微微網(wǎng)的建立、維護(hù)與釋放等工作。采用通道備份、應(yīng)答確認(rèn)和可用目標(biāo)信息實(shí)時(shí)更新的機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí),將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地的集中單元內(nèi),用戶可通過(guò)人機(jī)接口(鍵盤、LCD)進(jìn)行查詢。
  本系統(tǒng)采用μC/OS-II 2.76V作為底層平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)。μC/OS-II是一個(gè)著名的、源碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核,專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì),可用于各類8位、16位和32位單片機(jī)或DSP,已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用。μC/OS-II支持多任務(wù)的調(diào)度與管理,在μC/OS-II平臺(tái)上開發(fā)軟件,可以簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。μC/OS-II主要采用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語(yǔ)言編寫,與硬件有關(guān)的部分使用匯編語(yǔ)言編寫,以使操作系統(tǒng)可以方便地移植到其他處理器。使用嵌入式操作系統(tǒng)時(shí),應(yīng)用軟件只與上層代碼有關(guān),與處理器無(wú)關(guān),在進(jìn)行軟件移植時(shí)僅需對(duì)與硬件相關(guān)的底層函數(shù)進(jìn)行修改。因此這樣的應(yīng)用軟件具有良好的可移植性和穩(wěn)定的可靠性。
4.1 采集單元
4.1.1 可用集中單元列表與備份機(jī)制的建立及維護(hù)
  由于采集單元需要完成構(gòu)建微微網(wǎng)的工作,而采集單元所處的采煤機(jī)又是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),其周邊可達(dá)的集中單元經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化。因此需要維護(hù)一個(gè)周邊可達(dá)的集中單元列表,以作為組建網(wǎng)絡(luò)的信息基礎(chǔ)。專門創(chuàng)建一個(gè)查詢?nèi)蝿?wù),并分配一個(gè)專用的通道,不斷搜索周邊可用的藍(lán)牙設(shè)備信息,將查詢到的可用集中單元更新到可用目標(biāo)列表(AOL)中。
  備份機(jī)制也是建立在可用目標(biāo)列表的基礎(chǔ)上的。主控任務(wù)通過(guò)獲取可用集中單元的信息,設(shè)定備用通道。在有兩個(gè)以上可達(dá)目標(biāo)時(shí),同時(shí)建立兩個(gè)藍(lán)牙通道。如果與當(dāng)前建立連接的集中單元連接中斷或無(wú)法收到應(yīng)答確認(rèn),則將數(shù)據(jù)切換至另一個(gè)通道傳送,以保證數(shù)據(jù)傳輸不中斷。


4.1.2 采集單元軟件流程
  軟件流程如圖3所示。采集單元上電并完成初始化后采集單元?jiǎng)?chuàng)建查詢?nèi)蝿?wù)和主控任務(wù),并分配一個(gè)通道作為查詢通道,由查詢?nèi)蝿?wù)不斷地對(duì)周邊藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行掃描。掃描到一個(gè)可用集中單元后,主控任務(wù)新建一個(gè)通道與其連接,啟動(dòng)發(fā)送任務(wù),并查詢是否有新的可用集中單元。如有,則建立一個(gè)通道作為備用通道,并持續(xù)檢查備用通道是否可用;如備用通道不可用,則重新查詢并分配新的備用通道。發(fā)送任務(wù)啟動(dòng)后,將通過(guò)RS232口采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送,每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包后,等待集中單元的確認(rèn)信息,得到確認(rèn)后,再發(fā)送下一數(shù)據(jù)包。如無(wú)法收到確認(rèn)信息,則根據(jù)主控任務(wù)提供的信息切換到備用通道上,繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),同時(shí)通知主控任務(wù)當(dāng)前使用的通道信息。
4.2 集中單元
4.2.1 人機(jī)接口與歷史數(shù)據(jù)查詢

  人機(jī)接口方面,集中單元的軟件在底層上增加了LCD和鍵盤的驅(qū)動(dòng)程序,并引入了GUI軟件模塊。采煤機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示,由于數(shù)據(jù)較多,而LCD的尺寸有限,所以將數(shù)據(jù)分為變頻器與電機(jī)溫度、PLC狀態(tài)兩部分,默認(rèn)顯示變頻器的工作信息與各個(gè)電機(jī)的溫度,可通過(guò)鍵盤操作切換顯示PLC狀態(tài)。另外通過(guò)鍵盤操作可進(jìn)行歷史信息查詢以及功能設(shè)定。
  由于采煤機(jī)數(shù)據(jù)信息量不大,因此可將數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到FLASH上。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)期限可通過(guò)人機(jī)接口設(shè)定,最長(zhǎng)期限取決于FLASH的容量。


4.2.2 集中單元軟件流程
  集中單元軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化后創(chuàng)建發(fā)送任務(wù)、數(shù)據(jù)顯示任務(wù)和人機(jī)接口任務(wù)。發(fā)送任務(wù)接收來(lái)自采集單元的數(shù)據(jù),每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包,回送一個(gè)確認(rèn)消息給采集單元,同時(shí)將數(shù)據(jù)包通過(guò)RS485口發(fā)送到地面監(jiān)控站,并等待確認(rèn)信息,得到確認(rèn)后,再發(fā)送下一數(shù)據(jù)包,否則,嘗試重發(fā)。數(shù)據(jù)顯示任務(wù)是在LCD上顯示數(shù)據(jù)窗口,并實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。人機(jī)接口等待按鍵的輸入,當(dāng)有按鍵操作時(shí),執(zhí)行相應(yīng)操作。
  本系統(tǒng)方案充分利用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)安全可靠、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn),通過(guò)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、通道備份等方式構(gòu)建的藍(lán)牙無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)可有效解決采煤機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集的問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明行之有效。
  同時(shí),本系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。利用S3C44B0X處理器的ADC接口可用作環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè);采用BlueRS系列支持的語(yǔ)音模塊,利用S3C44B0X處理器的I2S總線接口與BlueRS模塊的PCM接口可在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行語(yǔ)音通信。同時(shí)可根據(jù)具體需要調(diào)整射頻等級(jí),以適應(yīng)不同覆蓋范圍及安全規(guī)范的需要。
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