采煤機是工作于煤礦綜采工作面的重要設(shè)備，它的正常運轉(zhuǎn)直接決定著煤礦生產(chǎn)的效率。而電牽引采煤機有著液壓采煤機不可比擬的性能，已成為我國現(xiàn)代化礦業(yè)開發(fā)的主要設(shè)備。因此，對采煤機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測與診斷，及時發(fā)現(xiàn)故障及隱患并采取相應措施，是提高采煤機可靠性和安全性的重要手段。
　　電牽引采煤機多以PLC為核心組建電氣控制系統(tǒng)，因此對采煤機的監(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、截割電機溫度、泵電機溫度、破碎電機溫度以及PLC的狀態(tài)。
　　目前，很多采煤機生產(chǎn)廠家在采煤機上配備了工控機來完成這一功能。它采集相關(guān)信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，無法實時獲取數(shù)據(jù)，只能采取定期巡檢的方式進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)及時準確地傳送到地面監(jiān)控站，提高對采煤機的監(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，但是由于采煤機工作時要在工作面上來回移動，如果采用這種方式，連接采煤機的纜線及接頭都極易損壞，維護的工作量很大。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，同時由于發(fā)射功率比較大，當射頻電路老化時(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，同時對方向性要求很高，也不適于在采煤機上使用。藍牙技術(shù)傳輸可靠、功耗低，同時成本低廉、組網(wǎng)方便靈活。綜合以上考慮，本文研制了基于藍牙技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應用于采煤機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，取得了滿意的效果。
1 藍牙技術(shù)
1.1 藍牙技術(shù)簡介
　　藍牙（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)標準，用來替代電纜連接便攜與固定設(shè)備，同時保證高等級的安全性。配備藍牙的電子設(shè)備之間通過微微網(wǎng)進行無線連接與通信。微微網(wǎng)（Piconet）是由采用藍牙技術(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)備同時通信。當一個微微網(wǎng)建立時，主設(shè)備只有一臺，其他均為從設(shè)備，而且在一個微微網(wǎng)存在期間將一直維持這一狀況。每臺設(shè)備還可以同時屬于多個微微網(wǎng)。微微網(wǎng)在藍牙設(shè)備進入和離開覆蓋范圍時自動地動態(tài)組建。藍牙技術(shù)工作于無需許可證的工業(yè)、科學與醫(yī)學頻段（ISM），頻率范圍為2.4G～2.485GHz。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。傳輸速率在1.2版本中為1Mbps，在2.0+EDR版本中為3Mbps。
　　下面介紹藍牙技術(shù)主要特點。
　　(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，藍牙采用了自適應跳頻(Adaptive Frequency Hopping)方式擴展頻譜(Spread Spectrum)，將2.4G～2.485GHz頻段分成79個頻點，相鄰頻點間隔1MHz。藍牙設(shè)備在某個頻點發(fā)送數(shù)據(jù)后，再跳到另一個頻點發(fā)送，而頻點的排列順序則是偽隨機的，每秒鐘內(nèi)頻率改變1600次。同時采用前向糾錯(FEC)編碼技術(shù)，減少遠距離傳輸時的隨機噪聲影響，并應用二進制調(diào)頻（FM）技術(shù)抑制干擾和防止衰落。
　　(2)低功耗
　　藍牙設(shè)備由于定位于短距離通信，射頻功率很低。在射頻等級為2時，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，可進一步降低功耗。
1.2 藍牙規(guī)范
　　藍牙規(guī)范目前已發(fā)展到2.0+EDR版本，但實際應用中以1.2版本為多。各版本的規(guī)范都分為核心系統(tǒng)(core)和應用模型(profile)兩部分。核心系統(tǒng)部分包括射頻(RF)、鏈路" title="鏈路">鏈路控制(LC)、鏈路管理(LMP)、邏輯鏈路控制與適應(L2CAP)四個最底層協(xié)議以及通用的業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議(SDP)和通用接入模型（GAP）。而應用模型則是根據(jù)具體產(chǎn)品的不同需要而提出的各種協(xié)議組合，如串口" title="串口">串口（Serial Port Profile）、傳真（FAX）、撥號網(wǎng)絡(luò)（Dial-up Networking）、耳機（Headset）、文件傳輸（File Transfer）等。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計
　　系統(tǒng)由采集單元和集中單元兩部分組成，如圖1所示。采集單元位于采煤機上，直接與安裝于采煤機上的工控機RS232口連接，將采集到的數(shù)據(jù)通過藍牙通道發(fā)送到集中單元；集中單元再由RS485接口通過電纜將信號轉(zhuǎn)發(fā)到地面監(jiān)控站。集中單元也可將數(shù)據(jù)保存在本地，并通過人機接口" title="人機接口">人機接口在本地查詢、顯示。為防止出現(xiàn)采集單元到集中單元間距離過遠或障礙物阻擋藍牙鏈路的情況，故將多個集中單元放置在不同地點，以保證采集單元始終有可連接的集中單元。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　本系統(tǒng)的實現(xiàn)有兩個關(guān)鍵部分：一是核心處理器的選擇；二是藍牙模塊的選擇。
　　核心處理器需要提供足夠的處理能力、兩個串口控制器和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66MHz,板載接口豐富，可以滿足要求。
　　藍牙模塊需要支持串口應用模型，同時提供支持二次開發(fā)的接口。經(jīng)過大量選型和比較，最終采用了BlueRS+I藍牙模塊。
　　BlueRS+I是由斯圖曼公司出品的BlueRS系列藍牙適配器之一。BlueRS系列兼容藍牙規(guī)范1.1～1.2，可選擇具體的型號支持串口、撥號網(wǎng)絡(luò)、耳機、免提、局域網(wǎng)接入等應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)備到移動基站復用協(xié)議)組建多點連接的微微網(wǎng)。
　　BlueRS最突出的特點是提供了豐富的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)備串口到任何藍牙鏈路；
　　(2)數(shù)據(jù)傳輸速度從300bps～230 400bps；
　　(3)控制方式有：異步AT命令控制方式、自動連接方式、應答方式；
　　(4)可通過串口及遠端進行配置。
　　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
　　在軟件設(shè)計上，系統(tǒng)以采集單元作為主機，集中單元作為客戶機，采用GSM 07.10復用協(xié)議構(gòu)建點對多點微微網(wǎng)，由采集單元完成微微網(wǎng)的建立、維護與釋放等工作。采用通道備份、應答確認和可用目標信息實時更新的機制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時，將數(shù)據(jù)存儲在本地的集中單元內(nèi)，用戶可通過人機接口（鍵盤、LCD）進行查詢。
　　本系統(tǒng)采用μC/OS-II 2.76V作為底層平臺進行應用軟件開發(fā)。μC/OS-II是一個著名的、源碼公開的實時內(nèi)核，專為嵌入式應用設(shè)計，可用于各類8位、16位和32位單片機或DSP，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用。μC/OS-II支持多任務(wù)的調(diào)度與管理，在μC/OS-II平臺上開發(fā)軟件，可以簡化程序的設(shè)計。μC/OS-II主要采用標準的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。使用嵌入式操作系統(tǒng)時，應用軟件只與上層代碼有關(guān)，與處理器無關(guān)，在進行軟件移植時僅需對與硬件相關(guān)的底層函數(shù)進行修改。因此這樣的應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
4.1.1 可用集中單元列表與備份機制的建立及維護
　　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又是處于運動狀態(tài)，其周邊可達的集中單元經(jīng)常會發(fā)生變化。因此需要維護一個周邊可達的集中單元列表，以作為組建網(wǎng)絡(luò)的信息基礎(chǔ)。專門創(chuàng)建一個查詢?nèi)蝿?wù)，并分配一個專用的通道，不斷搜索周邊可用的藍牙設(shè)備信息，將查詢到的可用集中單元更新到可用目標列表（AOL）中。
　　備份機制也是建立在可用目標列表的基礎(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。在有兩個以上可達目標時，同時建立兩個藍牙通道。如果與當前建立連接的集中單元連接中斷或無法收到應答確認，則將數(shù)據(jù)切換至另一個通道傳送，以保證數(shù)據(jù)傳輸不中斷。

4.1.2 采集單元軟件流程
　　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創(chuàng)建查詢?nèi)蝿?wù)和主控任務(wù)，并分配一個通道作為查詢通道，由查詢?nèi)蝿?wù)不斷地對周邊藍牙設(shè)備進行掃描。掃描到一個可用集中單元后，主控任務(wù)新建一個通道與其連接，啟動發(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)送一個數(shù)據(jù)包后，等待集中單元的確認信息，得到確認后，再發(fā)送下一數(shù)據(jù)包。如無法收到確認信息,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)，同時通知主控任務(wù)當前使用的通道信息。
4.2 集中單元
4.2.1 人機接口與歷史數(shù)據(jù)查詢
　　人機接口方面，集中單元的軟件在底層上增加了LCD和鍵盤的驅(qū)動程序，并引入了GUI軟件模塊。采煤機數(shù)據(jù)通過LCD實時顯示，由于數(shù)據(jù)較多，而LCD的尺寸有限，所以將數(shù)據(jù)分為變頻器與電機溫度、PLC狀態(tài)兩部分，默認顯示變頻器的工作信息與各個電機的溫度，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行歷史信息查詢以及功能設(shè)定。
　　由于采煤機數(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接口設(shè)定，最長期限取決于FLASH的容量。