1 单体液压支柱无线监测系统嵌入式网关总体设计
煤矿井下液压支柱数目较多，难以集中监测。本文通过设计基于无线传感器网络的单体液压支柱监测系统，实现井下液压支柱压力监测。
如图1所示，本系统主要由监测主机、以太网及嵌入式网关、传感器节点、中缝节点、Zigbee网络等部件组成。
该系统具体工作运行原理如下：
（1）系统传感器节点首先需采集液压支柱各个状态参数信息。
（2）将系统传感器节点收到的信息由中继节点传送至网关，网关需分析、处理上传数据。
（3）由Internet将分析、处理后的相关数据传输至本系统上位监视主机。
通过嵌入式网关对Zigbee与Internet协议相互转换，配合网络芯片通过串口将其与无集成传感器的Zigbee节点相连接，共同实现在系统不同协议之间合理转换。与此同时，该系统通过串口，向网关传送中继节点模块收到的无线信息，再由Internet经网关将数据信息发送至以太网环。该无线传感器节点技术成熟，可降低开发设计难度。因此，采用以下设计方案对系统嵌入式网关进行科学设计。
2 硬件设计
2.1 硬件结构
本嵌入式网关提供了一个保证其能与Zigbee中继节点相连接的网络串口。在设计时，为了便于将相关数据及时传输至矿井中，配置了1个网口与2个串口。在此基础上，对系统RAM模块与ROM模块进行外扩。图2为本单体液压支柱无线监测系统嵌入式网关主要结构组成示意图。
2.2 嵌入式网关网络接口电路设计
选用一种即插即用、全双工的RTL8019AS网络控制芯片作为Internet控制器。由网络发送/接收滤波器20F001完成网络介质间的连接，提高本单体液压支柱无线监测系统网络通信抗干扰能力。图3为单体液压支柱无线监测系统网络接口电路设计示意图。
图3 网络接口架构
数据处理过程描述如下：
（1）当Internet中某节点欲向系统CAN现场总线或网络节点发送相关数据时，该Internet节点首先会向本系统嵌入式网关发送以太帧。
（2）当系统网关收到发送数据时，解析、拆包以太网，同时按总线/网络协议格式结合网关配置情况封装数据，最后将其发送至目标节点。
（3）当系统总线/网络中的某节点欲向Internet节点发送数据时，则按上述数据处理流程原路返回。
3 软件设计
本系统软件运行程序主要包括协议转换及系统引导程序，程序运行端可分为主、从两部分。
（1）通过移植U-boot获得系统引导运行程序，然后进入协议转换程序。
（2）终端从串口获取Zigbee中继节点发送的信息数据，并对以太网帧进行填写。
（3）基于以太网帧格式，经Internet、UDP及ARP协议，采用UDP方式，将相关监测数据信息发送至矿井监测主机。
（4）系统协议转换程序主要通过ARP协议对目标主机中的MAC地址进行获取。
按照上述流程，当系统软件程序开始运行后，需对网卡进行初始化设置。在此操作过程中，若运行失败，则系统会自动提示错误；随后，可连续3次发送ARP请求。若系统尚未收到ARP应答，则本系统会自动报错提示，然后等待对系统串口数据进行接收。在接收过程中，若有数据则需对数据进行分析，从而形成新的UDP数据，并将其加载至UDP数据报中由Internet负责发送。图4为本监测系统中嵌入式网关的软件程序流程图。
图4 本监测系统中嵌入式网关的软件程序流程图
3.1 系统Boot Loader引导程序设计
Boot Loader程序也称系统引导程序，其主要是指在本监测系统复位后执行的首段代码。在U-boot程序移植过程中，首先需对系统存储区映射、时钟等硬件模块进行初始化；其次，对系统堆栈指针进行设置，并通过建立S3C44B0X内存空间映射图，为本监测系统正常、稳定运行提供一种可靠的环境与状态，以便用户合理操作系统应用程序，及对操作系统内核进行最终调用。
3.2 系统UDP/IP协议栈的设计
本监测系统协议栈程序主要包括由mac.c文件、eth.c文件、arp.c文件、ip.c文件、udp.c文件及MAIN.c文件组成的精简UDP/IP协议。
| 文件类型 | 调用函数 | 文件功能 | 操作方式 |
|
mac.c | s3c44b0_eth_rcv； s3c44b0_eth_send； s3c44b0_eth_init () | ①对RTL8019模块初始化操作； ②调用函数InitRS8019 ()； ③读取缓冲区数据 |
- |
| eth.c | eth_send函数； eth_rcv函数； | 对系统以太网帧进行操作 | 调用函数s3c44b0_eth_send () |
|
arp.c |
arp_rcv_packet函数； arp_send_req函数； arp_get_eth_addr函数 |
①发送arp包； ②获取目标主机MAC地址； | 采用函数arp_rcv_packet()处理系统收到的arp包；调用函数eth_send()发送ARP请求包 |
|
Ip.c |
ip_send； ip_rcv_packet； ip_rcv_packet() |
添加IP头各字段 | 采用函数ip_rcv_packet()区别系统各种服务； 采用ip_send()函数添加IP头；调用eth_send()函数发送各字段 |
| udp.c | udp_send | 处理UDP数据报 | - |
|
MAIN.c |
net_handle()函数；SendUdpstart ()函数 |
为系统相关应用程序运行提供基础 | 调取net_handle()函数与SendUdpstart ()函数；合理判断IP或ARP包； |
表1 系统UDP/IP协议栈
如表1所示，mac.c、eth.c、arp.c、ip.c和udp.c、MAIN.c文件构成了该监测系统协议栈程序。
4 结语
综上所述，本文针对矿井下无法进行长距离信息传输的问题，设计了一种基于UDP/IP协议栈的单体液压支柱无线监测系统。本系统主要由监测主机、以太网及嵌入式网关、传感器节点、中缝节点、Zigbee网络等部件组成。通过嵌入式网关，对Zigbee与以太网协议进行相互转换，以不带无线收、发模块的网关为核心，配合网络芯片通过串口将其与无集成传感器的Zigbee节点相连接，共同实现系统不同协议之间的合理转换。在本系统网络接口设计时，选用一种全双工即插即用的RTL8019AS网络控制芯片，构成系统以太网控制器。最终，分别基于mac.c文件、eth.c文件、arp.c文件、ip.c文件与udp.c和MAIN.c文件实现对各监测信息数据的传输与发送，有效提高了系统监测效率。
参考文献
[1]王桃，刘晓文，乔欣，等．基于无线传感器网络的液压支架压力监测系统设计[J]．工矿自动化，2014，40（6）.
[2]白亚腾，孙彦景，孙建光，等．基于无线传感器网络的液压支架压力监测系统设计[J]．煤炭科学技术，2014，42（12）.
[3]刘亚辉．SmartMesh IP无线网络在液压支架压力监测系统的应用设计[J]．煤矿机械，2016，37（6）．
[4]丁恩杰，孟祥，李晓，等．基于无线传感器网络的井下液压支架压力监测系统设计[J]．煤矿机械，2010，31（10）.
[5]胡亮．无线低功耗液压支架压力监测系统设计[J]．工矿自动化，2017，43（6）.
收稿日期：2017-09-26 作者简介：侯立兵（1978-），男，江苏丰县人，徐州博轩自动化科技有限公司工程师，研究方向：电子通信及自动化控制。
