（平顶山天安煤业股份有限公司六矿河南平顶山467000）
摘要：采煤机在工作时很容易受到煤层和岩石层的冲击，产生部件损坏，从而致使机械出现故障，影响煤矿生产效率。自供电监测系统的无线终端设计恰巧可以解决这一难题，弥补了传统的有线测量技术的不足。
关键词：采煤机械；自供电监测系统；无线终端设计
引言
在煤矿机械等旋转类设备运行过程中，极易受到矿石、岩石等坚硬物的巨大冲击，从而导致煤矿机械出现轴承、液压系统及机械系统的故障，其故障通常体现在异常的温度和振动状态变化，因此对采煤机械在工作时的温度和振动状态进行监测十分必要。设计了一个可在采煤工作面对采煤机工作状态进行实时监测的自供电无线传感系统，以实现信息的实时传输、处理、显示、记录和控制。
1采煤机监测系统自供电技术
自供电系统就是将系统中传感器节点收集到的其他形式的能量通过一定的技术转化为其他的可以稳定供电的能量，其他形式的能量常常包含：风能、光能、热能和机械能。收集到的能量是较为微弱的，无法为系统持续供能，因此需要对采集到的能量进行合理的管理，从而为系统提供稳定的能量。
在采煤机中，机械振动产生的能量可导致系统的不稳定，新能源技术可将这种振动能量转化可用于为无线端提供能量，有效避免了因系统不稳定导致的一系列问题。
2终端硬件设计方案
通过在第一节中对所要设计的采煤机械自供电无线监测系统的技术要求介绍，分析终端节点设备应该具有以下特点：
（1）小型化：为便于终端节点在采煤机械工作的恶劣环境中大范围地部署和使用，所设计的终端体积应尽量小，这也有助于降低终端节点的成本和功耗；（2）低功耗：由于振动能量采集转化的电能相对较弱，难以满足终端长时间、高效率的工作，故在安装备用电池作为备用储能和供电设备时，还要尽可能的降低终端设备的功耗，以期达到真正的自供电效果；（3）高可靠性：由于是针对采煤机械在线状态进行的监测，若节点出现故障将会严重影响煤机工作进程，故整个监测系统中各个节点要能够长时间保持稳定工作，在设计时要注意各模块的可靠性，保证系统有良好的工作能力；（4）可扩展性：要预留数量足够的控制模块通用I/O接口与通信接口，以便于系统功能调试和日后各功能模块的改进。
采煤机械自供电无线监测系统终端框图如图1所示，本章将对除能量采集模块以外的系统进行研究设计，主要包括：能源管理、单片机控制、传感器及无线传输模块，具体设计将在本章后续章节中详细介绍。
图1采煤机械自供电无线监测系统终端框图
3采煤机械无线监测系统终端软件设计
本系统所设计的终端在硬件设计方面，采用MSP430F5438芯片作为核心控制芯片，管理系统各模块之间的的通信和工作，采用CC2530芯片进行数据收发。故在软件设计方面不仅需要对单片机控制模块进行程序设计，还要对无线收发模块相对应的ZigBee协议进行编写和修改，两部分的程序要分别进行下载和调试，将使用IAREmbedded
Workbench软件平台进行编译、仿真和下载。
3.1软件开发环境
IAREmbeddedWorkbench（即IAREW）是由全球领先的嵌入式系统开发工具和服务供应商—瑞典IARSystems公司开发的嵌入式软件系统开发工具的总称，目前可分别支持众多知名半导体公司的微处理器结构，是当今IT界最完整的用于嵌入式开发的工具，从消费电子、汽车应用、医疗、工业控制到手机应用系统等方面都有广泛应用。
IAREmbeddedWorkbench采用的是具有极高稳定性的嵌入式开发工具C交叉编译器，内部集成有：IARC/C++Compiler（IARC/C++编译器）、IARAssembler（汇编器）、IARXLINKLinker（链接器）、IARXARLibraryBuilder（库创建器）、IARXLIBLibrarian（库管理器）、IARC-SPYDebugger（调试器）、Editor（代码编辑器）、CommandLineBuildUtility（命令行创建工具）和ProjectManager（工程管理）等。是一款完整、稳定、且很容易上手使用的专业嵌入式应用开发工具。
4.2MSP430控制模块程序设计
MSP430控制模块软件流程如图4.2所示，其流程主要包括：系统初始化、传感器信息采集、串口通信、中断服务等。MSP430F5438上电以后首先进行就是时钟系统的配置，不仅要选择CPU时钟来源，各外设的时钟来源也要进行选择；然后还需要初始化通用输入/输出管脚（GPIO）多路复用寄存器，模数转换模块、串口通信模块等功能模块。完成自身的初始化任务以后MSP430F5438还需要完成化主板上其他设备的初始化，如传感器模块和电池监测模块设备。完成系统初始化后，才能进入系统主循环程序执行信息采集和数据串口通信任务。
图2MSP430F45438模块流程图
图5不同距离的信号强度测试结果
图6不同距离的信号接收包个数测试结果
3.3无线传输模块程序设计
无线传输模块的软件设计主要包括终端节点和协调器两部分。本系统采用了TI公司生产的CC2530芯片，针对该系列芯片，TI专门推出了自己开发的ZigBee协议栈软件Z-Stack。使用Z-Stack协议栈时，用户只需调用API来完成对应用层程序的开发，其内部具体实现过程的底层程序等都被封装在库代码中，用户不需要过多考虑。
本系统中协调器的应用层程序还包括通过串口与上位机实现数据通信模块。针对该过程，Z-tack协议栈也提供了多种应用模板，用户只需要调用相关函数即可。当协调器设备的应用层接收到AF_INCOMING_MSG_CMD消息，就表示协调器接收到了新数据，随即调用osal_msg_receive()函数，将消息从消息队列中取出，并调用MyApp_MessageMSGCB()函数和osal_memcpy()函数将接收到的数据拷贝至buffer数组中，即可实现将数据经串口发送至上位机。
4无线传输距离测试试验
采煤机自供电监测系统的无线终端在调试成功后，对其无线传输模块进行了试验。在试验开始时，将天线模块作为终端节点，将系统的1个模块作为协调器，通过不断地调试，确定了终端节点与协调器之间的距离，将其传输数据实时记录下来，等一段时间取其平均值，记录下来其信号强度。在测试中采用的数据包数量为500个，信号测试结果如图3、图4所示。
从测试结果可知，在无线传输模块中，当通信距离增大时，可以接收到的信号强度随之在降低，接收包个数也在减小，出错率也随之增加，说明无线传输比较适合短距离。在10m以内，该模块的出错率还是较低的，因此该无线传输模块可满足系统的信息传输要求。
结束语
采煤机械自供电监测系统的无线终端设计采用了近些年较为先进的技术和科技含量较高的芯片，它们不但对工作环境具有高度的适应性还在一定程度上节约了成本，增强了监控过程的质量，为采煤机的高效优质工作提供了保障，间接地为煤矿开采行业提供了支持。
参考文献：
[1]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＋185.