文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.014
中文引用格式： 祝天宇，肖新清，孫格格，等. 礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，
41(8)：50-52，56.
英文引用格式： Zhu Tianyu，Xiao Xinqing，Sun Gege，et al. Wireless real-time monitoring system for table grape cold chain logistics[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：50-52，56.
0 引言
青海礦產(chǎn)資源豐富，隨著工業(yè)現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展，越來越多的礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備被投入和使用。但礦產(chǎn)開發(fā)過程中，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)，易受生產(chǎn)周邊環(huán)境、鹽鹵水位等多種因素的干擾而造成設(shè)備的突發(fā)故障，并直接影響到礦產(chǎn)生產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)和人力損耗，因此有必要對(duì)礦產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。然而青海地域遼闊，礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備分布稀疏，傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)手段無法適用于此種極端環(huán)境。同時(shí)，由于設(shè)備所處環(huán)境苛刻，人工巡檢實(shí)施困難很大，無法起到及時(shí)排除故障的作用。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具備體積小、低功耗、組網(wǎng)靈活、布置方便等特點(diǎn)，在軍事、智能家居、樓宇監(jiān)控、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]，在機(jī)器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也彌補(bǔ)了原有監(jiān)測(cè)方法的不足。文獻(xiàn)[4]中，Gao等基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種對(duì)印刷機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)，能監(jiān)控印刷機(jī)多種運(yùn)行參數(shù)；文獻(xiàn)[5]中，Nasipuri等應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)變電站中的變壓器進(jìn)行了基于振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[6]中，蔡巍巍等設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集和片上處理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能有效采集和監(jiān)測(cè)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。
針對(duì)礦產(chǎn)生產(chǎn)的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由傳感器采集模塊、無線通信模塊和監(jiān)測(cè)管理模塊組成，旨在對(duì)青海的礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和歷史追溯管理，確保礦產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，提高企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備管理水平及其礦產(chǎn)生產(chǎn)效率。
1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成：由傳感器和ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的數(shù)據(jù)采集模塊，由協(xié)調(diào)器和GPRS模塊組成的無線通信模塊，由SQL Server數(shù)據(jù)庫和Web網(wǎng)頁組成的監(jiān)測(cè)中心模塊。
數(shù)據(jù)采集模塊采集設(shè)備的實(shí)時(shí)工作電流和電壓，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；無線通信模塊主要負(fù)責(zé)將無線傳感器的短距離通信通過遠(yuǎn)程通信，發(fā)送數(shù)據(jù)至監(jiān)測(cè)中心模塊的數(shù)據(jù)庫中，最終在網(wǎng)頁上顯示和管理。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備工作電流的變化，可以有效地反映出其當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。為了選取合適的電流傳感器，對(duì)青海礦產(chǎn)開發(fā)中通用設(shè)備相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，結(jié)果如表1所示。
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)需求，選擇了測(cè)量范圍在0～50 A的霍爾電流傳感器A-CS050EK1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，A-CS050EK1系列傳感器是基于閉環(huán)磁平衡原理的一款霍爾電流傳感器，其輸出電壓值能夠真實(shí)有效地反映設(shè)備的工作狀態(tài)。
同時(shí)系統(tǒng)選用了CC2530ZDK開發(fā)平臺(tái)的CC2530EM模塊，以實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸，通過分壓電路與A-CS050EK1霍爾電流傳感器共同組成傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器模塊的硬件原理框圖如圖2所示。
2.2 WSN/GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)由短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)為遠(yuǎn)程GPRS通信的關(guān)鍵，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和GPRS DTU構(gòu)成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過UART串口與GPRS模塊相連接，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至GSM網(wǎng)絡(luò)，硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。
系統(tǒng)選擇Commay WG-8010 GPRS DTU作為系統(tǒng)的GPRS模塊，它提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS232/485/422數(shù)據(jù)接口，可以方便地與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，只需要安裝可以上網(wǎng)的SIM卡，即可使ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)建立連接。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
3.1.1 數(shù)據(jù)采集功能
傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)電流傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理。獲得電壓計(jì)算公式為：電壓值=ADC/分辨率×參考電壓。其數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。
3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸功能
數(shù)據(jù)處理后，傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將最終采集結(jié)果和本身網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔l(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。
3.2 匯聚終端軟件設(shè)計(jì)
匯聚終端由ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊組成。其中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)匯總來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，GPRS DTU則將由串口接收到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送至SQL Server數(shù)據(jù)庫，而不需要去改變?cè)械臄?shù)據(jù)信息內(nèi)容，這也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖如圖6所示。
3.3 監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)中心軟件使用C#結(jié)合SQL Server開發(fā)，通過Winsock實(shí)現(xiàn)與無線通信模塊的通信，將存儲(chǔ)于GPRS DTU中的數(shù)據(jù)發(fā)送至SQL Server數(shù)據(jù)庫中，并通過Web網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和用戶管理等模塊。其中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模塊以動(dòng)態(tài)曲線圖和表格方式顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)當(dāng)前礦產(chǎn)設(shè)備的異常運(yùn)行狀態(tài)以標(biāo)紅形式進(jìn)行預(yù)警；歷史數(shù)據(jù)管理模塊，可對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和圖表顯示；設(shè)備管理模塊可對(duì)礦產(chǎn)設(shè)備的基本靜態(tài)信息進(jìn)行新增、查詢和刪除等操作；用戶管理模塊則根據(jù)不同登錄人員進(jìn)行不同的權(quán)限分配。軟件整體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。軟件界面簡(jiǎn)潔直觀，易于操作和理解，具有很強(qiáng)的人機(jī)互動(dòng)性。
4 系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證
4.1 測(cè)試環(huán)境
系統(tǒng)于2014年4月在青海中信國(guó)安有限公司鹽田進(jìn)行安裝和測(cè)試，對(duì)五臺(tái)礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備——混流式水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采礦現(xiàn)場(chǎng)布置了5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，控制室布置了1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。通過測(cè)試網(wǎng)絡(luò)丟包率驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，通過測(cè)試WSN系統(tǒng)通信覆蓋范圍驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)地應(yīng)用可行性。
4.2 網(wǎng)絡(luò)丟包率測(cè)試
系統(tǒng)設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)每1min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，傳感器節(jié)點(diǎn)不執(zhí)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送功能時(shí)為休眠狀態(tài)，測(cè)試時(shí)間為10天。測(cè)試結(jié)果如表2所示。
經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)平均丟包率為0.19%，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以穩(wěn)定可靠地對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
4.3 WSN系統(tǒng)通信覆蓋范圍測(cè)試
以青海中信國(guó)安某一標(biāo)準(zhǔn)鹽田為例，五個(gè)采礦現(xiàn)場(chǎng)距離控制室平均距離在32 m，最遠(yuǎn)距離36 m。為保證WSN系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地組網(wǎng)并進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了不同距離、不同發(fā)射功率情況下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的RSSI值(Received Signal Strength Indication接收信號(hào)強(qiáng)度)和丟包率測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9所示。
根據(jù)以上結(jié)果可以看出，隨著距離的增加和發(fā)射功率的降低，系統(tǒng)丟包率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，RSSI值逐漸降低。實(shí)際安裝中，將節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離控制在30 m以內(nèi)。由以上數(shù)據(jù)可知，在30 m通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率大于1 dB時(shí)，節(jié)點(diǎn)丟包率小于3.6，具有較高的通信可靠性。本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率設(shè)置為1 dB，其通信覆蓋范圍具有應(yīng)用可行性。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，同時(shí)在青海礦產(chǎn)地區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)地安裝及測(cè)試。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平均丟包率為0.19，表明具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和穩(wěn)定性，能夠滿足礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)需求。系統(tǒng)通信覆蓋范圍測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠滿足實(shí)地安裝的通信覆蓋范圍，具有較好的應(yīng)用可行性。
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