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)備長時間處于運行狀態(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)濟和人力損耗，因此有必要對礦產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測與管理。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)測手段無法適用于此種極端環(huán)境。同時，由于設(shè)備所處環(huán)境苛刻，人工巡檢實施困難很大，無法起到及時排除故障的作用。

    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，在軍事、智能家居、樓宇監(jiān)控、農(nóng)業(yè)監(jiān)測等方面得到了廣泛的應(yīng)用^[1-3]，在機器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也彌補了原有監(jiān)測方法的不足。文獻[4]中，Gao等基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種對印刷機器運行狀態(tài)進行監(jiān)測的節(jié)點，能監(jiān)控印刷機多種運行參數(shù)；文獻[5]中，Nasipuri等應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對變電站中的變壓器進行了基于振動信號的監(jiān)測；文獻[6]中，蔡巍巍等設(shè)計了一種可實現(xiàn)機械振動信號采集和片上處理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，能有效采集和監(jiān)測機械振動信號。

    針對礦產(chǎn)生產(chǎn)的實際需求，本文設(shè)計并開發(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)測管理模塊組成，旨在對青海的礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)測和歷史追溯管理，確保礦產(chǎn)設(shè)備的正常運行，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)測系統(tǒng)主要由3個模塊組成：由傳感器和ZigBee節(jié)點組成的數(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)測中心模塊。

    數(shù)據(jù)采集模塊采集設(shè)備的實時工作電流和電壓，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點；無線通信模塊主要負責將無線傳感器的短距離通信通過遠程通信，發(fā)送數(shù)據(jù)至監(jiān)測中心模塊的數(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

2.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

    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前運行狀態(tài)監(jiān)測。為了選取合適的電流傳感器，對青海礦產(chǎn)開發(fā)中通用設(shè)備相關(guān)工作參數(shù)進行了實地調(diào)研，結(jié)果如表1所示。

    根據(jù)實際生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測需求，選擇了測量范圍在0～50 A的霍爾電流傳感器A-CS050EK1進行實驗，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有效地反映設(shè)備的工作狀態(tài)。

    同時系統(tǒng)選用了CC2530ZDK開發(fā)平臺的CC2530EM模塊，以實現(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。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)點硬件設(shè)計

    網(wǎng)關(guān)節(jié)點是整個系統(tǒng)由短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)為遠程GPRS通信的關(guān)鍵，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點和GPRS DTU構(gòu)成。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過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，它提供了標準的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

3.1 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

3.1.1 數(shù)據(jù)采集功能

    傳感器節(jié)點主要負責對電流傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行采樣，并進行數(shù)據(jù)簡單處理。獲得電壓計算公式為：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)拓撲信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。傳感器節(jié)點工作流程如圖5所示。

3.2 匯聚終端軟件設(shè)計

    匯聚終端由ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊組成。其中，協(xié)調(diào)器負責匯總來自傳感器節(jié)點的數(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)包進行傳送至SQL Server數(shù)據(jù)庫，而不需要去改變原有的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，這也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖如圖6所示。

3.3 監(jiān)測中心軟件設(shè)計

    監(jiān)測中心軟件使用C#結(jié)合SQL Server開發(fā)，通過Winsock實現(xiàn)與無線通信模塊的通信，將存儲于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)頁進行實時監(jiān)測和管理，主要包括實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和用戶管理等模塊。其中實時監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊以動態(tài)曲線圖和表格方式顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，并對當前礦產(chǎn)設(shè)備的異常運行狀態(tài)以標紅形式進行預(yù)警；歷史數(shù)據(jù)管理模塊，可對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計和圖表顯示；設(shè)備管理模塊可對礦產(chǎn)設(shè)備的基本靜態(tài)信息進行新增、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。軟件界面簡潔直觀，易于操作和理解，具有很強的人機互動性。

4 系統(tǒng)測試和驗證

4.1 測試環(huán)境

    系統(tǒng)于2014年4月在青海中信國安有限公司鹽田進行安裝和測試，對五臺礦產(chǎn)開發(fā)設(shè)備——混流式水泵進行實時監(jiān)測。采礦現(xiàn)場布置了5個傳感器節(jié)點，控制室布置了1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點。通過測試網(wǎng)絡(luò)丟包率驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕ㄟ^測試WSN系統(tǒng)通信覆蓋范圍驗證系統(tǒng)的實地應(yīng)用可行性。

4.2 網(wǎng)絡(luò)丟包率測試

    系統(tǒng)設(shè)定傳感器節(jié)點每1min進行一次數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，傳感器節(jié)點不執(zhí)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送功能時為休眠狀態(tài)，測試時間為10天。測試結(jié)果如表2所示。

    經(jīng)測試，系統(tǒng)平均丟包率為0.19%，結(jié)果表明，系統(tǒng)運行良好，可以穩(wěn)定可靠地對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

4.3 WSN系統(tǒng)通信覆蓋范圍測試

    以青海中信國安某一標準鹽田為例，五個采礦現(xiàn)場距離控制室平均距離在32 m，最遠距離36 m。為保證WSN系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地組網(wǎng)并進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行了不同距離、不同發(fā)射功率情況下的點對點的RSSI值(Received Signal Strength Indication接收信號強度)和丟包率測試。測試結(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，RSSI值逐漸降低。實際安裝中，將節(jié)點之間的相對距離控制在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)點發(fā)射功率大于1 dB時，節(jié)點丟包率小于3.6，具有較高的通信可靠性。本系統(tǒng)節(jié)點發(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)計并實現(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)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對礦產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測與管理，同時在青海礦產(chǎn)地區(qū)進行了系統(tǒng)的實地安裝及測試。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)備運行狀態(tài)的監(jiān)測需求。系統(tǒng)通信覆蓋范圍測試表明，系統(tǒng)能夠滿足實地安裝的通信覆蓋范圍，具有較好的應(yīng)用可行性。

參考文獻

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