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)

1、    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)        徐瑞華，孫 弋 時(shí)間:2008年03月31日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘要：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

2、，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，已成為我國現(xiàn)代化礦業(yè)開發(fā)的主要設(shè)備。因此，對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與診斷，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)，因此對采煤機(jī)的監(jiān)控主要是針對PLC數(shù)據(jù)的采集以及對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)來完成這一功能。它采集相關(guān)信

3、息并通過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，提高對采煤機(jī)的監(jiān)測效率。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。因此采用無線傳輸方式。常用的無線傳輸方式有微波、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

4、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)簡介藍(lán)牙（Bluetooth）是由Bluetooth SIG于1998年5月提出的近距離無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用來替代電纜連接便攜與固定設(shè)備，同時(shí)保證高等級的安全性。配備藍(lán)牙的電子

5、設(shè)備之間通過微微網(wǎng)進(jìn)行無線連接與通信。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)的建立是由兩臺設(shè)備（如便攜式電腦和蜂窩電話）的連接開始，最多由8臺設(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，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2.4G2.485GHz。覆蓋范圍根據(jù)射頻等級分為三級：等級3為1m、等級2為10m、等級1為100m。傳輸

6、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)可靠為減少來自共享2.4GHz頻段的其他無線技術(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2.4G2.485GHz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

7、位于短距離通信，射頻功率很低。在射頻等級為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2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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，

8、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1.11.2，可選擇具體的型號支持串口、撥號網(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要求。另外，BlueRS還支持通過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

9、何藍(lán)牙鏈路；(2)數(shù)據(jù)傳輸速度從300bps230 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)對多點(diǎn)微微網(wǎng)，由采集單元完成微微網(wǎng)的建

10、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)存儲在本地的集中單元內(nèi)，用戶可通過人機(jī)接口（鍵盤、LCD）進(jìn)行查詢。本系統(tǒng)采用C/OS-II 2.76V作為底層平臺進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)。C/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。C/OS-II支持多任務(wù)的調(diào)度與管理，在C/OS-II平臺上開發(fā)軟件，可以簡化程序的設(shè)計(jì)。C/OS-II主要采用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言編寫，與硬件有關(guān)的部分使用匯編語言編寫，以使操作系統(tǒng)可以方便地移植到其他處理器。使

11、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)，與處理器無關(guān)，在進(jìn)行軟件移植時(shí)僅需對與硬件相關(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

12、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。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)

13、后，再發(fā)送下一數(shù)據(jù)包。如無法收到確認(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，可通過鍵盤操作切換顯示PLC狀態(tài)。另外通過鍵盤操作可進(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)直接存儲到FLASH上。數(shù)據(jù)存儲期限可通過人機(jī)接口設(shè)定，最長期限取決于FLASH的容量。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)牙無線技術(shù)安全可靠、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，通過動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、通道備份等方式構(gòu)