無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

朱書(shū)梅 薄一龍

1 技術(shù)方案

1.1 無(wú)線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出通用的軟硬件體系模型（見(jiàn)圖1）。

圖1 礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1 表示的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，依照GB 3836-2006《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》，結(jié)合礦井支架的具體要求，設(shè)計(jì)了無(wú)線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。

圖2 無(wú)線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

如圖2 所示，各個(gè)無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)之間形成一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)采用電池供電，無(wú)線網(wǎng)關(guān)采用穩(wěn)壓12 V 電源供電，通過(guò)CAN 總線實(shí)現(xiàn)地面數(shù)據(jù)監(jiān)視和處理部分與井下設(shè)備通信。

1.2 無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組成單元，可以看作是一種非常小型的計(jì)算機(jī)，一般由4 個(gè)部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)，不需要任何現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，包括有線和無(wú)線設(shè)施支持的條件下，快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)管理等完全在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)還需要一些基站來(lái)建立傳感器網(wǎng)絡(luò)與外界的聯(lián)系，但各傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)依然是一個(gè)自組織的無(wú)中心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

1.3 無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)的功能是建立和各采集節(jié)點(diǎn)的通信路由并保持通信，與上位機(jī)通信將各節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)上位機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。其硬件部分和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基本相同。

1.4 上位機(jī)通信與數(shù)據(jù)分析處理軟件

整個(gè)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3 大部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)管理服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)各個(gè)模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互，使數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其他模塊透明。數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器負(fù)責(zé)將接收上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后將其送往系統(tǒng)管理服務(wù)器。系統(tǒng)管理服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與用戶交互，使用戶能根據(jù)需要配置整個(gè)系統(tǒng)，按需求顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)等。

2 創(chuàng)新成果

2.1 無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)的研制

成功研制了基于ZigBee 技術(shù)和低功耗技術(shù)的無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)安裝在液壓支架上，通過(guò)液壓油管與液壓支架前后柱連接，自主不間斷采集液壓支架壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼無(wú)線網(wǎng)關(guān)。該無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)最大功耗僅為132 mW，無(wú)線橋接距離可達(dá)80 m～100 m。無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)具備自組網(wǎng)功能，可自動(dòng)規(guī)避故障、阻塞和自適應(yīng)路由，優(yōu)化帶寬。無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，當(dāng)總線故障時(shí)，無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)監(jiān)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，當(dāng)總線恢復(fù)時(shí)，數(shù)據(jù)可以補(bǔ)充上傳。

2.2 節(jié)點(diǎn)間的路由協(xié)議的研究

針對(duì)煤礦無(wú)線通信環(huán)境，開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的基于最小跳數(shù)的能量自適應(yīng)路由算法。該路由算法的關(guān)鍵思想是利用到sink 節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)和路徑節(jié)點(diǎn)最小剩余能量作為路由選擇度量來(lái)完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)。

多數(shù)Android惡意應(yīng)用通過(guò)聯(lián)網(wǎng)下載APP、展示廣告等方式盈利，這不僅導(dǎo)致用戶消耗大量流量，還可能威脅到用戶隱私和Android系統(tǒng)安全?；趷阂鈶?yīng)用依賴互聯(lián)網(wǎng)盈利這個(gè)特點(diǎn)，本文在Android設(shè)備上搭建一個(gè)流量監(jiān)控、分析、攔截平臺(tái)，建立惡意流量規(guī)則庫(kù)，對(duì)惡意應(yīng)用的請(qǐng)求報(bào)文進(jìn)行攔截，從而阻止惡意應(yīng)用的惡意行為，保護(hù)用戶的流量和隱私。

傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，首先搜索本節(jié)點(diǎn)的下一跳可用節(jié)點(diǎn)集，從中選擇路徑節(jié)點(diǎn)最小剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，下跳節(jié)點(diǎn)接收到該信息后作同樣的處理，直至發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)為止。

通過(guò)綜合監(jiān)測(cè)分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)、帶寬+時(shí)延、信號(hào)強(qiáng)度、鏈路質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由路徑的自動(dòng)優(yōu)化、點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)最佳路徑自動(dòng)選擇，自動(dòng)規(guī)避阻塞和故障。

2.3 無(wú)線網(wǎng)關(guān)的研制

成功研制了基于ZigBee 技術(shù)和CAN2.0 協(xié)議的無(wú)線中繼網(wǎng)關(guān)。無(wú)線網(wǎng)關(guān)的功能是建立和各采集節(jié)點(diǎn)的通信路由并保持通信，與上位機(jī)通信將各節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)上位機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。

2.4 上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

成功研制了基于ZigBee 技術(shù)和CAN2.0 協(xié)議無(wú)線通信上位機(jī)數(shù)據(jù)分析與處理軟件。軟件通過(guò)采集從數(shù)據(jù)基站上傳的原始數(shù)據(jù)，解析成應(yīng)用數(shù)據(jù)后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)及基站的通信、路由、數(shù)據(jù)等狀態(tài)。

通過(guò)以上設(shè)備及軟件的研制和開(kāi)發(fā)，建立了一套基于ZigBee 技術(shù)和CAN2.0 協(xié)議的礦井無(wú)線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由上位機(jī)數(shù)據(jù)分析與處理軟件、地面監(jiān)控主機(jī)、地面?zhèn)鬏斀涌?、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、無(wú)線礦壓采集節(jié)點(diǎn)等礦壓監(jiān)測(cè)儀器、井下隔爆兼本安電源及其他配套設(shè)備組成。

3 實(shí)施效果

該系統(tǒng)在井下綜采工作面試驗(yàn)后結(jié)果如下。

3.1 實(shí)時(shí)顯示功能

實(shí)驗(yàn)期間，無(wú)線壓力分站的液晶顯示屏上能夠?qū)崟r(shí)顯示支架左、右立柱的實(shí)時(shí)壓力，未出現(xiàn)故障現(xiàn)象。

3.2 數(shù)據(jù)采集方式

無(wú)線壓力分站采用定壓采樣模式，即無(wú)線壓力分站內(nèi)部單片機(jī)每隔2 s 巡檢一次壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)支架壓力變化超過(guò)1 MPa（可調(diào)）時(shí)，記錄一次數(shù)據(jù)。經(jīng)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，定壓采樣模式工作正常，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最短時(shí)間間隔為2 s。

3.3 無(wú)線傳輸距離

通過(guò)調(diào)換工作面測(cè)點(diǎn)位置，以檢測(cè)無(wú)線壓力分站及礦用本安型監(jiān)測(cè)基站的傳輸距離。測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)線壓力分站間無(wú)線傳輸距離最大可達(dá)40 m，無(wú)線壓力分站與監(jiān)測(cè)基站間的最大傳輸距離可達(dá)100 m。

3.4 自組織網(wǎng)絡(luò)功能

在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，通過(guò)斷開(kāi)1 臺(tái)無(wú)線壓力分站，以檢測(cè)系統(tǒng)其余所有無(wú)線壓力分站是否能夠正常工作。共試驗(yàn)3 次，系統(tǒng)均能正常工作。

3.5 初撐力及末阻力分析功能

以44 號(hào)液壓支架后柱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，采用KJ21礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件分析支架的初撐力及末阻力，以檢測(cè)支架初撐力的合格情況，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

通過(guò)地面軟件能夠分析支架初撐力、末阻力、頂板來(lái)壓情況及支架與地質(zhì)條件的適應(yīng)性，根據(jù)總結(jié)得到的礦壓規(guī)律能夠預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)頂板來(lái)壓，便于提前采取措施，保障工作面頂板安全。

本系統(tǒng)所采用的無(wú)線傳輸技術(shù)可擴(kuò)展至對(duì)煤礦井下瓦斯、一氧化碳、溫度、風(fēng)速、風(fēng)量等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。成功研制的無(wú)線礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功耗低、性能可靠、數(shù)據(jù)處理效率高，安裝、使用方便，能夠滿足井下支架壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，也是實(shí)施礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控的一種新興技術(shù)途徑。