基于WSN的工作面液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)的研究*

李崢，陳得寶

(淮北煤炭師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，安徽淮北235000)

礦井液壓支架監(jiān)測方式通常有兩種:一是井下人工讀取數(shù)據(jù)后帶到地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；二是通過RS485總線或者現(xiàn)場總線進(jìn)行遠(yuǎn)距離在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)顯示和分析。很明顯，第一種方式實(shí)時(shí)性不高，第二種方式優(yōu)于第一種。但是，根據(jù)某煤礦項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用表明，第二種方式系統(tǒng)布線復(fù)雜，隨著開采工作面的推進(jìn)以及升降架等操作，有線網(wǎng)絡(luò)極易被扯斷，導(dǎo)致現(xiàn)場采集的壓力數(shù)據(jù)無法上傳到地面計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)處于半癱瘓狀態(tài)，使煤礦的安全留下了嚴(yán)重的隱患。針對目前國內(nèi)在液壓支架監(jiān)測方面存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的工作面液壓支架在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 壓力傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))。壓力傳感器節(jié)點(diǎn)完成壓力數(shù)據(jù)采集和多跳中繼傳輸；簇頭完成成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。Sink節(jié)點(diǎn)完成壓力數(shù)據(jù)的匯集和無線與有線信號的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CAN總線接入，上傳到地面計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控。傳感器節(jié)點(diǎn)以分簇的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過簇間多跳方式，將壓力數(shù)據(jù)傳到Sink節(jié)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的液壓支架壓力監(jiān)測。由于綜采面液壓支架推進(jìn)相當(dāng)緩慢，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)近似認(rèn)為是直線型；同時(shí)每一個(gè)液壓支架都已經(jīng)編號，可以認(rèn)為位置已知[1]。

1.1 壓力傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，第一級網(wǎng)絡(luò)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，采用業(yè)界極具競爭優(yōu)勢的ATmega128L單片機(jī)，加上無線RF單元CC2420、信號調(diào)理模塊AD620、壓力傳感器SLM211、液晶顯示1602，采用5V/4 800mAh可充電鋰電池供電。

1.1.1 微控制器模塊選型

微控制器模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，它負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議、同步定位、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲等程序的運(yùn)行。微處理器選型主要從兩方向考慮:(1)能夠片上集成AD，具有較高的處理速度，低功耗，外圍資源豐富等特點(diǎn)。(2)ZigBee協(xié)議對系統(tǒng)微處理器的要求有:至少是8 bit MCU；完全的協(xié)議棧:ROM＜32 KB；簡單功能節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧:ROM約6 KB；協(xié)調(diào)器還需要足夠的RAM。用于保存節(jié)點(diǎn)器件數(shù)據(jù)庫、傳輸路由表等。根據(jù)以上要求，本系統(tǒng)選用了ATmega128L微控制器，它是目前AVR系列中功能最強(qiáng)大的8 bit微控制器。ATmega128L在使用16 MHz時(shí)鐘時(shí)，速度可達(dá)16 MIPS；它具有6種不同等級的低能耗操作模式；片上集成8路10 bit ADC通道、8個(gè)PWM通道、可編程看門狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器、UART、SPI、I2C總線和JTAG口等。它具有片內(nèi)128 KB的程序存儲器(Flash)，4 KB的數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)，在不外擴(kuò)存儲的情況下，能夠滿足對ZigBee協(xié)議棧的支持，芯片價(jià)值不足5美元，使其在性價(jià)比方面更具誘惑力[2]。

1.1.2 無線通信單元CC2420

CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層，具有超低電流消耗(RX:19.7 mA，TX:17.4 mA)，高接收靈敏度(-99 dBm)，快速喚醒時(shí)間(f＜30 ms)，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kb/s等特點(diǎn)。ATmega128L與CC2420連接如圖3所示。

微控制器ATmega128L通過SPI口對CC2420進(jìn)行工作模式的設(shè)置，通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)，通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘/定時(shí)信息的輸入[3]。

1.1.3 壓力傳感器和信號調(diào)理模塊

SLM211為硅壓阻式壓力傳感器，量程為0～60 Mpa，0.4 mA恒流供電情況下，滿量程輸出電壓信號只有30 mV左右，屬于微弱信號。由于要求壓力傳感器達(dá)到滿量程輸出時(shí)，需要將輸出的微弱信號放大到單片機(jī)可以識別的電壓，因此對運(yùn)算放大器提出了較高的要求。

本系統(tǒng)運(yùn)放選用了AD620，它能確保高增益精密放大所需的低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo)；只用一只外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)1～1 000；體積小，只有8個(gè)引腳；低功耗，最大供電電流為1.3 mA。AD620的2個(gè)內(nèi)部增益電阻為24.7 kΩ，因而增益方程式為G=49.4 kΩ/Rg+1，對于所需的增益，外部控制電阻值為Rg=49.4/(G-1)(kΩ)。信號調(diào)理電路如圖4所示，其中R7=100 Ω，R8=1 kΩ，精密電阻調(diào)到267 Ω，C9=0.1 μF。

1.2 Sink節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

如圖5所示，Sink節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)基本相同。這里考慮到存儲能力的問題，外擴(kuò)了一個(gè)容量為512 KB的FLASH存儲器AT45DB401。現(xiàn)場總線通信部分由CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器CTM8251T構(gòu)成。對MCP2515的初始化和操作通過模擬SPI接口實(shí)現(xiàn)，讀寫函數(shù)程序分別記作void SPIByteWrite(uchar addr，uchar value)和uchar SPIByteRead(uchar addr)，源程序略[4]。

Sink節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)CAN總線，實(shí)現(xiàn)2種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有存儲轉(zhuǎn)發(fā)能力，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。

2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)中，WSN采用分層通信協(xié)議，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，并通過能量管理平臺和任務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)對各層協(xié)議的有效控制，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于礦井的基于簇的結(jié)構(gòu)路由選擇算法，它是對LEACH協(xié)議的改進(jìn)和簡化，各個(gè)簇頭已經(jīng)指定，傳感器的位置固定，直線型的拓?fù)湔J(rèn)為不變，各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行相互通信。數(shù)據(jù)上傳有2種方式:通過Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)布查詢命令；各個(gè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)上傳數(shù)據(jù)。同時(shí)，本系統(tǒng)還完成了Sink節(jié)點(diǎn)與用戶PC機(jī)的交互通信設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理所必須的控制信息傳遞，以及對壓力數(shù)據(jù)的顯示和分析[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 壓力傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

壓力傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的壓力數(shù)據(jù)傳送給簇節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，接收來自Sink節(jié)點(diǎn)的查詢命令。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收時(shí)，轉(zhuǎn)入休眠模式，使節(jié)點(diǎn)功耗降到最低。其工作流程圖如圖7所示。

3.2 Sink節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

Sink節(jié)點(diǎn)一方面負(fù)責(zé)組建無線網(wǎng)絡(luò)，另一方面將2個(gè)使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接在一起，實(shí)現(xiàn)2種協(xié)議之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的通信任務(wù)，并把接收的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。Sink節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)裝置測試及結(jié)果分析

鑒于實(shí)際應(yīng)用中工作面距離井上調(diào)度室約4 km的情況，將Sink節(jié)點(diǎn)的CAN總線波特率設(shè)置為10 kb/s(理論傳輸距離6.7 km)，實(shí)際應(yīng)用顯示10 kb/s的傳輸速率完全能滿足傳輸距離的要求。由文獻(xiàn)[6]知，由于工作面存在金屬支架和采煤機(jī)等設(shè)備，無線電信號強(qiáng)度衰減很大，通信距離在20 m的范圍內(nèi)。在前20 m時(shí)，RSSI值保持在-89 dbm，收包率保持在90%，但30 m時(shí)已經(jīng)驟減到-92 dbm和54%，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的接收。因此為了保證無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，采用每20 m設(shè)置一個(gè)簇節(jié)點(diǎn)，保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測[6]。

4.1 測試結(jié)果

表1是在實(shí)際測試中，上位機(jī)軟件記錄的某一時(shí)刻20個(gè)液壓支架設(shè)備的壓力值。

表1 實(shí)際測試壓力數(shù)據(jù)

4.2 結(jié)果分析

由表1可以觀察到壓力變化范圍在20 Mpa左右的正常變化范圍。從實(shí)時(shí)顯示20個(gè)支架壓力數(shù)據(jù)來看，相鄰支架的壓力變化不明顯，所以可以根據(jù)測試結(jié)果對采集點(diǎn)進(jìn)行分組，每1～2個(gè)支架安裝一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，既可以降低系統(tǒng)費(fèi)用，又可以解決因采集點(diǎn)過于密集、數(shù)據(jù)量大帶來的數(shù)據(jù)上傳速度的瓶頸問題。同時(shí)通過上位機(jī)提供的歷史數(shù)據(jù)曲線，可以方便掌握工作面周期來壓規(guī)律、升降架次數(shù)、壓力變化趨勢等信息。

本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的工作面液壓支架在線監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用WSN的自組織網(wǎng)絡(luò)、多跳路由通信和能量管理方案等特點(diǎn)，保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性、獨(dú)立性和網(wǎng)絡(luò)的生存周期。實(shí)驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)在保證測量誤差的情況下，可以很好地解決支架壓力監(jiān)測問題。作為功能的擴(kuò)展，可以考慮在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上加入瓦斯傳感器、溫度傳感器、煙霧和灰塵濃度等傳感器，這樣可以全面獲得工作面的各個(gè)環(huán)境參數(shù)，更加有效地保障煤礦的安全生產(chǎn)。

[1]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[2]Atmel Inc.ATMEGA128L datasheet[DB/OL].2003.

[3]Chipcon AS SmartRF.CC2420 preliminary datasheet(1.2)，2004.

[4]饒運(yùn)濤，鄒季軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[5]任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào)，2003，14(7):1282-1291.

[6]DING E J，WANG M Y，WEN J C，et al.Performance evaluation of 2.4 GHz wireless sensor nodes transmission in coal mine.2009 WRI World Congress on Computer Science and Information Engineering，2009:452-455.