基于ZigBee的矿用钢丝绳探伤传感器数据采集与传输技术研究

【摘 要】目前矿用钢丝绳探伤传感器大都采用有线的方式传输信号，这种方法布线复杂，费时费力。针对这种问题，本文设计了一种基于ZigBee的矿用钢丝绳无线探伤传感器。研究矿用钢丝绳探伤传感器数据采集与传输，将传感器采集的监测数据通过ZigBee模块进行无线传输，并最终在上位机进行监测数据的终端显示、分析、存储，实现对钢丝绳在线的损伤定量检测。

【关键词】钢丝绳；ZigBee；无线；损伤检测

Research on Data Acquisition and Transmission Technology of Mine Wire Rope Detection Sensor Based on ZigBee

REN Ming-Yue MENG Guo-ying

（China University of Mining & Technology〈Beijing〉，Beijing 100083，China）

【Abstract】At present，most of the mining wire rope detection sensors use wired way to transmit signals.In order to solve this problem，this paper designs a kind of wireless detection sensor for mine wire rope based on ZigBee.Study on the wire rope detection sensor data acquisition and transmission，monitoring data will be collected by the sensor for wireless transmission through the ZigBee module，and finally to the terminal monitoring data display，analysis， storage in PC，to realize the damage of wire rope online quantitative detection.

【Key words】Wire rope；ZigBee；Wireless；Damage detection

0 前言

V井提升设备负责完成矿井运输煤炭和矸石、投放设备、搭载人员等工作。钢丝绳作为提升系统的关键部件，在我国煤炭行业中得到广泛应用。由于钢丝绳长期在复杂环境中长时间连续高负荷运转，会产生各种类型的缺陷或损伤，进一步发展将导致事故的发生[1]，因此开展钢丝绳损伤检测的理论与技术研究势在必行。目前使用的钢丝绳探伤传感器大都采用有线传输方式，这种方式布线复杂，过多的线路对检测过程存在干扰，长距离的传感器接线电阻过大导致传输距离受限。

无线传感器网络是当今国际上备受关注的热门研究领域，它综合了传感器、嵌入式计算、现代化网络和分布式信息处理等技术，可以通过多种集成化的微传感器完成对监测对象的数据信号的实时监测、采集与感知。这些信号通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。在多种无线通信方式中，ZigBee技术是一种低功耗、低成本、低复杂度、低传输速率的双向无线通信技术，适用于短距离的无线通信，并能嵌入到各种通信设备中去[2]。所以本文设计采用ZigBee技术对矿用钢丝绳探伤传感器采集的监测数据进行无线传输。

1 系统结构及原理

本文以ZigBee网络为基础，设计了钢丝绳无线探伤传感器网络，它由上位机、协调器、数据采集器和钢丝绳探伤传感器组成。钢丝绳探伤传感器主要是采集监测信号，将采集的信号传输到协调器，协调器通过ZigBee网络将采集到的监测数据无线传输到数据采集器，数据采集器通过串口送到上位机上进行数据的处理和分析。

2 系统主要硬件

2.1 数据采集与无线传输模块设计

数据采集与传输模块由CC2530中央处理部分、CC2591单元、数据采集模块、外部数据存储模块、电源部分和LED等组成。其中，数据采集模块主要是负责采集数据，并完成数据的转换。

该模块的中央处理器采用的是TI公司生产的CC2530芯片，它集微处理器和无线收发模块为一体，其内部集成了高性能射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、8KB RAM 和256KB Flash ROM。CC2530的应用较为简单，只需要外接少数的电路即可实现。因为CC2530自身带有射频功能，通常对于小功率网络节点的设计不需要外加额外的射频芯片，所以CC2530外加一些简单电路即可实现射频功能。

2.2 传感器模块设计

目前，在基于漏磁检测方法的钢丝绳损伤检测设备中，通常采用霍尔元件作为检测元件。采用霍尔元件的检测传感器最大优点是体积较小，有利于对小间隙空间磁场进行测量，且输出信号与检测速度无关，因而被广泛应用。

本文采用霍尔元件对钢丝绳进行探伤检测，其检测原理属于漏磁检测法。霍尔元件放置在钢丝绳周向表面附近，可感应钢丝绳缺陷漏磁场轴向或径向分量，并将漏磁信号转化为电压信号。其原理是在霍尔元件两侧通一控制电流I，被检钢丝绳经磁化后，在缺陷处会产生漏磁场B，该磁场作用在霍尔元件上时会产生霍尔电势VH。

VH=KHIBcos？兹（1）

式（1）中KH为霍尔元件的灵敏度系数，I为输入的控制电流，？兹为磁感应强度B与霍尔元件平面法向量之间的夹角。其中穿过霍尔元件的磁场B主要由两部分组成，一部分是被检钢丝绳段无缺陷存在时其表面的漏磁场B1，当钢丝绳被磁化后，该漏磁场是不能避免存在的，B1主要由两磁极间的空气耦合磁场和钢丝绳绳股结构产生的股波、丝波漏磁场构组成；另一部分为被检钢丝绳存在缺陷时，缺陷附近产生的附加漏磁场B2，该磁场与钢丝绳缺陷的宽度、缺陷在绳股中的位置、以及霍尔元件与缺陷之间的相对距离等因素有关。实际应用中，在励磁装置和钢丝绳型号一定时，B1为常量，其产生的霍尔电势可以通过系统调零去掉，传感器输出的霍尔电势大小及其变化主要是由B2决定，因此由霍尔电势便可测得钢丝绳缺陷处的漏磁场，根据该漏磁场判断钢丝绳的缺陷状况[1]。

2.3 其他模块设计

硬件系统中添加CC2591射频芯片，能够提高输出功率和改善接收机的增益，且大大简化了射频电路的设计；外部数据存储单元主要用来存储终端传感器节点采集的数据；LED单元是用来显示节点是否加入或退出网络；为降低功耗，该节点中的电源通常采用两节电池实现。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee开发环境

IAR Embedded Workbench（简称EW）的C/C++交叉编译器和调试器是专业的嵌入式系统开发工具。对于不同的微处理器，EW能够提供同样直观的用户界面。EW包括嵌入式的C/C++优化编译器、汇编器、编辑器、库管理员、连接定位器、C-SPY调试器及项目管理器。其编译器生成的代码紧凑、优化，能够节省硬件资源，降低产品成本，从而提高产品的竞争力[4]。

3.2 ZigBee协议栈工作流程

Z-Stack的工作流程：系统的初始化，为OS（实时操作系统）的运行做好准备，其主要包括初始化系统时钟、与配置系统的定时器、检测芯片的工作电压、以及芯片的各个硬件模块等；当系统的初始化完成后，开始运行操作系统的入口程序，然后将控制权完全交给操作系统，执行操作系统，进入任务循环，比较任务的优先级，最后调用相应的事件处理函数来处理该任务的事件[5]。

3.3 ZigBee协议栈实时操作系统

操作系统是Z-Stack协议栈需要依存的运行环境，Z-Stack的main函数总共做了两项工作：一项是系统的初始化，即启动代码对硬件系统及软件架构所需的各个模块进行初始化；另一项是开始执行OS实体，就是进入OSAL任务的主循环，比较任务的优先级，调用相应的事件处理函数，完成相应的操作。

Z-Stack协议栈是对ZigBee的具体实现，在基于Z-Stack协议栈的应用开发中，用户只用实现应用程序框架即可。Z-Stack中使用了操作系统的概念，程序中为OSAL层。OSAL层与Z-Stack是互相独立的，但是整个Z-Stack要基于OS才能运行。OSAL能够实现一个易于使用的操作系统平台，它可通过时间片轮转函数来完成多任务的调配，从而提供多任务的处理机制[6]。

4 结语

本文设计了一种基于ZigBee的矿用钢丝绳探伤传感器数据采集与无线传输系统。因CC2530结合了射频模块和高性能8051单片机，且适用于功耗解决方案，所以节点以CC2530为核心，采用IAR工具进行Zigbee协议栈的设计，用C语言进行编程。并基于CC2530主芯片及CC2591射频芯片对ZigBee节点进行了硬件设计。形成一个可以实现钢丝绳损伤实时监测系统的传感器网络。

【参考文献】

[]1王红尧.煤矿提升钢丝绳在线检测关键技术研究[D].中国矿业大学，2009.

[2]褚昊，张恩迪.基于ZigBee的光伏电池检测监控系统设计[J].电源技术，2016， 40（3）：621-624.

[3]高金D， 彭旭锋， 张会新，等.基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的设计[J].电子器件， 2016， 39（3）：546-550.

[4]王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安电子科技大学，2012.

[5]章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530和ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用.2011，20（7）.pp.184-187

[6]李洪波， 李国良， 谭福奎，等.基于ARM和ZigBee模块的电度表采集器设计[J].兴义民族师范学院学报，2014（6）：97-100.