面向采煤机械在线状态监测系统设计
王大为+韩建强+薛晨阳+穆济亮+王永华+张增星
摘 要： 随着无线传感网络在人们日常生活中的应用越来越普及，传感网络节点的可持续工作能力问题日益突出。对无线传感网络节点的功耗问题进行分析，并设计出一种面向采煤机械的基于MSP430微控芯片的低功耗在线状态监测系统。根据低功耗在线状态监测系统采集机械设备所处环境中的振动和温度信息进行数据判断，进行异常报警。经过实验验证，该系统在数据传输、数据显示和功耗测试等方面都达到了设计要求。
关键词： 低功耗系统； 无线传感； 状态监测； 采煤机械
中图分类号： TN915?34； X84 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0163?03
Design of online condition monitoring system for coal?mining machinery
WANG Dawei， HAN Jianqiang， XUE Chenyang， MU Jiliang， WANG Yonghua， ZHANG Zengxing
（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）
Abstract： With the wide application popularization of the wireless sensor networks in people′s daily life， the sustainable work capacity issue of the sensor network node becomes increasingly prominent. The power consumption of the wireless sensor network node is analyzed. A low?power consumption online condition monitoring system based on MSP430 for coal?mining machinery was designed. The low?power consumption online condition monitoring system carries out data judgement according to the vibration and temperature information in the environment where the mechanical equipment is working， and gives an alarm for the abnormal condition. The system can satisfy the design requirements in the aspects of data transmission， data display and power consumption， which has been verified in the experiment.
Keywords： low power consumption system； wireless sensing； condition monitoring； coal?mining machinery
煤矿机械系统是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统[1]，在其生产过程中，工作环境十分恶劣，易受到煤尘、水雾等其他方面的污染；同时在其运转时易受到来自煤、岩石等的巨大冲击力，从而导致煤矿机械出现轴承、液压系统[2]及机械系统的故障，体现在异常的温度和振动状态变化，且旋转部件损坏极易引发二次损伤和工伤事故等安全问题。因此，监测系统运行状态[3]，避免意外停机及恶性事故的发生，对于提高设备的可靠性、经济性、利用率以及降低生产成本具有重要的科学意义和应用价值。旋转类重型采煤机械具有旋转、强振动等特点[4]，对能跟旋的在线状态监测微纳系统提出更为苛刻的要求，有线电源和信息采集线路由于缠绕问题无法安装，所以监测系统需要采用独立能源供给和无线数据收发技术[5?6]。通过对振动和温度信号[7?8]的监测、分析和处理，可以监测设备的运行状态，识别机械设备的故障类型、故障来源，这些信息的监测对于安全生产是至关重要的。本文设计的基于MSP430单片机的无线监测系统[9]可以在超低功耗的状态下实现对机械设备运行状态的在线监测[10]，而且结构简单，可以利用狭小空间完成监测任务。
1 系统结构
系统由两大单元组成，一是数据采集与传输节点，另一个是监测报警中心，如图1所示，整个系统的工作流程如下：由温度监测传感器和加速度监测传感器进行数据测量，然后将数据交由微控制中心（MCU）也就是MSP430单片机处理，MCU将数据打包传至无线模块，然后无线模块通过ZigBee通信协议上传至监测报警中心；上位机接收数据，并将数据存储到数据库中，上位机能够进行实时数据图形显示并具有阈值报警功能。
2 硬件设计
数据采集传输节点的控制硬件包括电源模块、数据采集模块、中央控制模块及无线发射模块，系统硬件构成示意图如图2所示。
2.1 电源电路设计
MSP430单片机的工作电压一般为低电压供电，电压范围是1.8～3.6 V。电源电路由两部分构成：振动能量采集单元，振动能量采集单元利用纳米发电机将机械的振动能量转化成电能为系统供电；ASM1117稳压单元，该单元能够满足硬件系统对供电电源的稳压、纹波小等要求。
2.2 数据采集模块
采集电路包含两部分数据的采集，一部分是温度数据采集，另一部分是振动数据的采集，数据采集电路如图3所示。温度数据采集选用DS18B20数字温度传感器，DS18B20通过DQ协议发送或接收信息，因此在微控制中心和DS18B20之间仅需一条连接线。一条控制指令指示DS18B20完成一次温度測量，测量结果存放在暂存器中，用户用一条读取操作指令就可以将暂存器中的数据读出，DS18B20以数字量的形式进行数据输出，避免了A/D转化，简单方便，节约片上资源。振动数据采集选用ADXL345超低功耗三轴加速度数字传感器，ADXL345通过I2C协议与微控制中心进行通信，该芯片的集成式存储器管理系统采用一个32级FIFO缓冲器，在读取数据过程中将主机处理器负荷降至最低，进而能降低整体功耗。
2.3 中央控制模块
控制电路主要包括复位电路部分、晶振部分及微控制中心。复位电路部分采用上电自复位电路，根据MSP430芯片手册设计为低电平复位。晶振部分分为两套时钟机制，一个16 MHz的有源晶振和一个32.768 kHz的石英晶振。中央控制模块根据系统的能耗协调匹配算法，实现系统动态功耗管理（Dynamic Power Management，DPM）。该功耗管理方法使系统循环进入活动模式和待机模式。系统活动模式消耗的电量约为40～50 mA，在待机模式下仅为10 μA左右，使系统各个模块都运行在恰好满足所需性能要求的功耗模式下，从而在不影响系统性能的前提下大幅降低系统平均功耗，如图4所示。
2.4 无线发射模块
无线发射电路用来负责数据传输，即与上位机的通信，采用基于ZigBee协议的CC2530射频单元，支持串口通信，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，广泛应用于低功耗传感网络。MSP430通过串口向CC2530发送数据，包含接收到的温度和三轴加速度值，然后CC2530将温度和加速度的监测值按照通信协议打包发送。
3 软件设计
3.1 数据采集与传输节点程序设计
系统的数据采集与传输节点的程序设计部分是在基于C语言的IAR软件平台上完成编译和调试。主程序流程图如图5所示。系统上电之后，首先进行时钟和射频部分硬件初始化。然后是对传感器进行初始化，建立微控中心和两个传感器之间的数据通道，开始数据采集，将采集到的数据通过串口发送至无线射频模块，接着进入循环。在循环中无线射频模块将采集到的数据打包发送出去，当循环结束后，系统进入低功耗模式，等待下次工作的开始。
3.2 监测报警中心程序设计
上位机用户界面的软件设计基于LabVIEW开发平台，用户界面上能够实时地显示监测节点发送过来的数据，并将这些数据以曲线的形式进行数据显示，当监测数值超过设定的报警阈值时，报警灯由绿变红进行报警。还可以进行其他操作，如查看数据库保存的各时段监测数据；对数据进行管理操作；查看生成报表。程序设计包括主界面、用户登录界面、数据实时监控与警报等部分，程序主界面如图6所示。
4 测试结果
4.1 功能测试
功能测试主要包括传感器信号采集，MSP430和CC2530的串行通信，无线通信测试和上位机监测。功能测试主要在上位机上进行显示，即可直观地得到结果。图7为一个实测案例：将设计的数据采集与传输节点样机放在一个小型振动台上，进行温度和加速度的数据采集，可以从上位机界面中直接观察到振动台的振动情况和环境实时温度。
4.2 数据采集与传输节点功耗测试
数据采集与传输节点功耗直接决定了系统性能，功耗大小直接影响着系统工作的可持续能力，为了确定下位机节点的功耗大小，进行了对整个节点和节点各个模块的工作状态下功耗测试实验。测试结果如表1所示。可以通过表中数据计算出在工作模式系统总功耗在171.039 mW以下，进而保证系统在完成系统的数据采集传输功能前提下达到超低功耗的设计目的。
5 结 论
本文设计的面向采煤机械在线状态监测系统，根据大型机械对在线监测系统需要采用独立能源供给和无线数据收发的要求，采用了一种动态功耗管理的方法进行数据的采集发送，通信和数据传输采用的是基于ZigBee通信协议的无线传输方式，用户可以通过监测报警中心的用户界面直观地看出机械的运行状况，并且当运行状态出现偏差时，上位机可以立刻报警。经过实验验证，该系统在数据传输、数据显示和功耗测试等方面都达到了设计要求。该研究成果对提升煤炭工业生产效率，降低煤矿机械安全事故率、提升煤矿重型机械装备的智能化改造具有一定的应用价值和现实意义。本文在研究过程中发现，在低功耗设计上该方案仍有进一步挖掘的潜力。随着传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术的进一步发展，相信在不久的将来，更加智能环保的无线无源监测节点将成为测试领域的主流。
参考文献
[1] 徐小粤.采煤机械的技术现状与发展趋势[J].中州煤炭，2005（4）：15?16.
[2] 朱其武，王清香.基于WINDOWS的采煤机液压CAT系统[J].液压与气动，2005（3）：8?9.
[3] 何泳，段志善.基于计算机控制的状态监测与故障诊断系统[J].现代电子技术，2003，26（4）：53?55.
[4] 王大川，于利洋.滾筒采煤机的工作原理分析[J].科技资讯，2012，（7）：89?89.
[5] 汤宝平，黄庆卿，邓蕾，等.机械设备状态监测无线传感器网络研究进展[J].振动、测试与诊断，2014，34（1）：1?7.
[6] 周聪聪，涂春龙，高云，等.腕戴式低功耗无线心率监测装置的研制[J].浙江大学学报（工学版），2015（4）：798?805.
[7] 魏明明，关咏梅，郭涛等.基于CC2530的无线温度传感器网络的设计[J].计算机测量与控制，2015，23（6）：2233?2236.
[8] REHMAN A U， ABBASI A Z， ISLAM N， et al. A review of wireless sensors and networks' applications in agriculture [J]. Computer standards & interfaces， 2014， 36（2）： 263?270.
[9] 胡敦利，李亮，高杨，等.基于MSP430的空气环境质量监测系统设计[J].高技术通讯，2015，25（3）：279?285.
[10] 曹小佳.面向机械振动监测的无线传感器网络时间同步研究[D].重庆大学，2010. 技术文
摘 要： 随着无线传感网络在人们日常生活中的应用越来越普及，传感网络节点的可持续工作能力问题日益突出。对无线传感网络节点的功耗问题进行分析，并设计出一种面向采煤机械的基于MSP430微控芯片的低功耗在线状态监测系统。根据低功耗在线状态监测系统采集机械设备所处环境中的振动和温度信息进行数据判断，进行异常报警。经过实验验证，该系统在数据传输、数据显示和功耗测试等方面都达到了设计要求。
关键词： 低功耗系统； 无线传感； 状态监测； 采煤机械
中图分类号： TN915?34； X84 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0163?03
Design of online condition monitoring system for coal?mining machinery
WANG Dawei， HAN Jianqiang， XUE Chenyang， MU Jiliang， WANG Yonghua， ZHANG Zengxing
（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）
Abstract： With the wide application popularization of the wireless sensor networks in people′s daily life， the sustainable work capacity issue of the sensor network node becomes increasingly prominent. The power consumption of the wireless sensor network node is analyzed. A low?power consumption online condition monitoring system based on MSP430 for coal?mining machinery was designed. The low?power consumption online condition monitoring system carries out data judgement according to the vibration and temperature information in the environment where the mechanical equipment is working， and gives an alarm for the abnormal condition. The system can satisfy the design requirements in the aspects of data transmission， data display and power consumption， which has been verified in the experiment.
Keywords： low power consumption system； wireless sensing； condition monitoring； coal?mining machinery
煤矿机械系统是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统[1]，在其生产过程中，工作环境十分恶劣，易受到煤尘、水雾等其他方面的污染；同时在其运转时易受到来自煤、岩石等的巨大冲击力，从而导致煤矿机械出现轴承、液压系统[2]及机械系统的故障，体现在异常的温度和振动状态变化，且旋转部件损坏极易引发二次损伤和工伤事故等安全问题。因此，监测系统运行状态[3]，避免意外停机及恶性事故的发生，对于提高设备的可靠性、经济性、利用率以及降低生产成本具有重要的科学意义和应用价值。旋转类重型采煤机械具有旋转、强振动等特点[4]，对能跟旋的在线状态监测微纳系统提出更为苛刻的要求，有线电源和信息采集线路由于缠绕问题无法安装，所以监测系统需要采用独立能源供给和无线数据收发技术[5?6]。通过对振动和温度信号[7?8]的监测、分析和处理，可以监测设备的运行状态，识别机械设备的故障类型、故障来源，这些信息的监测对于安全生产是至关重要的。本文设计的基于MSP430单片机的无线监测系统[9]可以在超低功耗的状态下实现对机械设备运行状态的在线监测[10]，而且结构简单，可以利用狭小空间完成监测任务。
1 系统结构
系统由两大单元组成，一是数据采集与传输节点，另一个是监测报警中心，如图1所示，整个系统的工作流程如下：由温度监测传感器和加速度监测传感器进行数据测量，然后将数据交由微控制中心（MCU）也就是MSP430单片机处理，MCU将数据打包传至无线模块，然后无线模块通过ZigBee通信协议上传至监测报警中心；上位机接收数据，并将数据存储到数据库中，上位机能够进行实时数据图形显示并具有阈值报警功能。
2 硬件设计
数据采集传输节点的控制硬件包括电源模块、数据采集模块、中央控制模块及无线发射模块，系统硬件构成示意图如图2所示。
2.1 电源电路设计
MSP430单片机的工作电压一般为低电压供电，电压范围是1.8～3.6 V。电源电路由两部分构成：振动能量采集单元，振动能量采集单元利用纳米发电机将机械的振动能量转化成电能为系统供电；ASM1117稳压单元，该单元能够满足硬件系统对供电电源的稳压、纹波小等要求。
2.2 数据采集模块
采集电路包含两部分数据的采集，一部分是温度数据采集，另一部分是振动数据的采集，数据采集电路如图3所示。温度数据采集选用DS18B20数字温度传感器，DS18B20通过DQ协议发送或接收信息，因此在微控制中心和DS18B20之间仅需一条连接线。一条控制指令指示DS18B20完成一次温度測量，测量结果存放在暂存器中，用户用一条读取操作指令就可以将暂存器中的数据读出，DS18B20以数字量的形式进行数据输出，避免了A/D转化，简单方便，节约片上资源。振动数据采集选用ADXL345超低功耗三轴加速度数字传感器，ADXL345通过I2C协议与微控制中心进行通信，该芯片的集成式存储器管理系统采用一个32级FIFO缓冲器，在读取数据过程中将主机处理器负荷降至最低，进而能降低整体功耗。
2.3 中央控制模块
控制电路主要包括复位电路部分、晶振部分及微控制中心。复位电路部分采用上电自复位电路，根据MSP430芯片手册设计为低电平复位。晶振部分分为两套时钟机制，一个16 MHz的有源晶振和一个32.768 kHz的石英晶振。中央控制模块根据系统的能耗协调匹配算法，实现系统动态功耗管理（Dynamic Power Management，DPM）。该功耗管理方法使系统循环进入活动模式和待机模式。系统活动模式消耗的电量约为40～50 mA，在待机模式下仅为10 μA左右，使系统各个模块都运行在恰好满足所需性能要求的功耗模式下，从而在不影响系统性能的前提下大幅降低系统平均功耗，如图4所示。
2.4 无线发射模块
无线发射电路用来负责数据传输，即与上位机的通信，采用基于ZigBee协议的CC2530射频单元，支持串口通信，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，广泛应用于低功耗传感网络。MSP430通过串口向CC2530发送数据，包含接收到的温度和三轴加速度值，然后CC2530将温度和加速度的监测值按照通信协议打包发送。
3 软件设计
3.1 数据采集与传输节点程序设计
系统的数据采集与传输节点的程序设计部分是在基于C语言的IAR软件平台上完成编译和调试。主程序流程图如图5所示。系统上电之后，首先进行时钟和射频部分硬件初始化。然后是对传感器进行初始化，建立微控中心和两个传感器之间的数据通道，开始数据采集，将采集到的数据通过串口发送至无线射频模块，接着进入循环。在循环中无线射频模块将采集到的数据打包发送出去，当循环结束后，系统进入低功耗模式，等待下次工作的开始。
3.2 监测报警中心程序设计
上位机用户界面的软件设计基于LabVIEW开发平台，用户界面上能够实时地显示监测节点发送过来的数据，并将这些数据以曲线的形式进行数据显示，当监测数值超过设定的报警阈值时，报警灯由绿变红进行报警。还可以进行其他操作，如查看数据库保存的各时段监测数据；对数据进行管理操作；查看生成报表。程序设计包括主界面、用户登录界面、数据实时监控与警报等部分，程序主界面如图6所示。
4 测试结果
4.1 功能测试
功能测试主要包括传感器信号采集，MSP430和CC2530的串行通信，无线通信测试和上位机监测。功能测试主要在上位机上进行显示，即可直观地得到结果。图7为一个实测案例：将设计的数据采集与传输节点样机放在一个小型振动台上，进行温度和加速度的数据采集，可以从上位机界面中直接观察到振动台的振动情况和环境实时温度。
4.2 数据采集与传输节点功耗测试
数据采集与传输节点功耗直接决定了系统性能，功耗大小直接影响着系统工作的可持续能力，为了确定下位机节点的功耗大小，进行了对整个节点和节点各个模块的工作状态下功耗测试实验。测试结果如表1所示。可以通过表中数据计算出在工作模式系统总功耗在171.039 mW以下，进而保证系统在完成系统的数据采集传输功能前提下达到超低功耗的设计目的。
5 结 论
本文设计的面向采煤机械在线状态监测系统，根据大型机械对在线监测系统需要采用独立能源供给和无线数据收发的要求，采用了一种动态功耗管理的方法进行数据的采集发送，通信和数据传输采用的是基于ZigBee通信协议的无线传输方式，用户可以通过监测报警中心的用户界面直观地看出机械的运行状况，并且当运行状态出现偏差时，上位机可以立刻报警。经过实验验证，该系统在数据传输、数据显示和功耗测试等方面都达到了设计要求。该研究成果对提升煤炭工业生产效率，降低煤矿机械安全事故率、提升煤矿重型机械装备的智能化改造具有一定的应用价值和现实意义。本文在研究过程中发现，在低功耗设计上该方案仍有进一步挖掘的潜力。随着传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术的进一步发展，相信在不久的将来，更加智能环保的无线无源监测节点将成为测试领域的主流。
参考文献
[1] 徐小粤.采煤机械的技术现状与发展趋势[J].中州煤炭，2005（4）：15?16.
[2] 朱其武，王清香.基于WINDOWS的采煤机液压CAT系统[J].液压与气动，2005（3）：8?9.
[3] 何泳，段志善.基于计算机控制的状态监测与故障诊断系统[J].现代电子技术，2003，26（4）：53?55.
[4] 王大川，于利洋.滾筒采煤机的工作原理分析[J].科技资讯，2012，（7）：89?89.
[5] 汤宝平，黄庆卿，邓蕾，等.机械设备状态监测无线传感器网络研究进展[J].振动、测试与诊断，2014，34（1）：1?7.
[6] 周聪聪，涂春龙，高云，等.腕戴式低功耗无线心率监测装置的研制[J].浙江大学学报（工学版），2015（4）：798?805.
[7] 魏明明，关咏梅，郭涛等.基于CC2530的无线温度传感器网络的设计[J].计算机测量与控制，2015，23（6）：2233?2236.
[8] REHMAN A U， ABBASI A Z， ISLAM N， et al. A review of wireless sensors and networks' applications in agriculture [J]. Computer standards & interfaces， 2014， 36（2）： 263?270.
[9] 胡敦利，李亮，高杨，等.基于MSP430的空气环境质量监测系统设计[J].高技术通讯，2015，25（3）：279?285.
[10] 曹小佳.面向机械振动监测的无线传感器网络时间同步研究[D].重庆大学，2010. 技术文
