微功耗無線圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦海濤

(中國煤炭科工集團(tuán)天地科技股份有限公司1,北京 100013;煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院2,北京 100013)

微功耗無線圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦海濤1,2

(中國煤炭科工集團(tuán)天地科技股份有限公司1,北京 100013;煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院2,北京 100013)

巷道圍巖變形監(jiān)測是評(píng)價(jià)巷道支護(hù)質(zhì)量、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和保障頂板安全的重要手段。當(dāng)大量安裝圍巖變形監(jiān)測傳感器進(jìn)行監(jiān)測時(shí),經(jīng)常遇到無穩(wěn)定外部交流電源供電且布線繁瑣等問題,為此開發(fā)了一種微功耗定時(shí)采樣的圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng)。采用電池供電和ZigBee無線傳輸方案,通過本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)、軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)和電源管理降低系統(tǒng)功耗。實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證該系統(tǒng)最低工作電流可達(dá)到微安級(jí),系統(tǒng)不需要更換電池就可以正常工作3年以上。

定時(shí)采樣 自動(dòng)采樣 無線 圍巖變形 微功耗 MSP430

0 引言

在巷道挖掘后或開采過程中,煤體的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞,煤體就可能發(fā)生變形破壞[1]。因此有必要在巷道內(nèi)布置圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng),科學(xué)評(píng)價(jià)巷道支護(hù)質(zhì)量,優(yōu)化支護(hù)參數(shù),及時(shí)預(yù)警,保障頂板安全。

圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng)一般在頂?shù)装?、兩幫、錨桿、錨索布置圍巖移動(dòng)傳感器、應(yīng)力傳感器,用于監(jiān)測支護(hù)體變形和受力狀態(tài)。巷道一般長達(dá)數(shù)千米,傳感器數(shù)量較多[2],若采用電纜為傳輸介質(zhì),常常會(huì)遇到安裝費(fèi)時(shí)、布線繁瑣和線纜斷裂等難題[3]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線圍巖變形自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)和地面監(jiān)控主機(jī)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

傳感器負(fù)責(zé)采集圍巖變形量、錨桿受力、錨索受力數(shù)據(jù),并通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸至無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)。無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)收集所有傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)并將其打包發(fā)送至地面監(jiān)控主機(jī)。

考慮到傳感器數(shù)量眾多且需靈活布置,故采用內(nèi)置電池供電。傳感器由電源管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元組成,包含電池、傳感器、低功耗處理器、時(shí)鐘芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、非易失性存儲(chǔ)器、無線收發(fā)模塊[4]等器件。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)將被測圍巖變形量、錨桿受力、錨索受力信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)并輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器件,之后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器件將其處理為數(shù)字信號(hào);微處理器通過執(zhí)行軟件程序,調(diào)用存儲(chǔ)器初始化參數(shù),按照算法得到與被測參數(shù)相對(duì)應(yīng)的測量數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至非易失性存儲(chǔ)器,最后通過數(shù)據(jù)傳輸單元與無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the sensor

低功耗設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的部分?；诒举|(zhì)安全規(guī)范對(duì)電池的容量有嚴(yán)格的限制[5-6],單靠提高電池容量并不能解決問題。在這種前提下,唯一可行的辦法就是進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗和優(yōu)化采樣過程。

系統(tǒng)功耗的降低主要有以下幾個(gè)可行的方案[7]:①本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì),即通過器件選型、電路設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等保證系統(tǒng)有效運(yùn)行時(shí)功耗保持最低;②電源管理,即盡量選取具有功耗管理功能的器件,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),通過軟件控制實(shí)現(xiàn)對(duì)不參與目前工作的器件進(jìn)行斷電或休眠;③軟件優(yōu)化設(shè)計(jì),即通過軟件,精確控制系統(tǒng)的最小運(yùn)行時(shí)間,減少無謂的空閑等待,避免異常功耗。一個(gè)可靠的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì),必須綜合考慮以上幾種方案。

(2)混合體系組分中芳香烴為主的方案的MMP最大、環(huán)烷烴為主的方案的MMP次之、烷烴為主的方案的MMP最小，這與單組分烴類的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。其主要區(qū)別在于，混合烴組分/CO 2的MMP均小于相同碳數(shù)的單組分/CO2的MMP。不同族烴類具有不同的碳數(shù)與最小混相壓力擬合式。

2 最小功耗硬件電路設(shè)計(jì)

為使傳感器功耗降到最低,電路元器件應(yīng)盡量選取微功耗器件及帶有功耗管理的器件;邏輯器件盡量選用具有內(nèi)部關(guān)斷功耗功能的CMOS器件,以減小輸入驅(qū)動(dòng)電路和保證可靠的輸出驅(qū)動(dòng)能力,同時(shí)能根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況,在不工作時(shí)自動(dòng)關(guān)閉電源和時(shí)鐘,進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)。所有空閑的CMOS器件輸入端都應(yīng)作接地處理,防止因靜電感應(yīng)造成邏輯狀態(tài)意外翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常[8]。

本設(shè)計(jì)選用微功耗單片機(jī)MSP430F247作為系統(tǒng)處理器件。該單片機(jī)具備5種低功耗模式,在RAM保持模式下,最低可達(dá)0.1 μA[9-10]。使用外部中斷喚醒時(shí),進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)僅需1 μs。該單片機(jī)可工作在1.8～3.6 V工作電壓,工作電流僅為270 μA,且集成帶內(nèi)部基準(zhǔn)、采樣與保持以及自動(dòng)掃描功能的12位A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)LCD可直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示芯片,集成2路自動(dòng)波特率檢測功能的增強(qiáng)型通用異步接收發(fā)器UART,非常適合低功耗電路設(shè)計(jì)使用。時(shí)鐘芯片選用SD2403[11],SD2403是一種內(nèi)置晶振、具有標(biāo)準(zhǔn)IIC接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片年誤差小于2.5 min,內(nèi)置單路定時(shí)/報(bào)警中斷輸出,報(bào)警中斷時(shí)間最長可設(shè)至100年,其典型工作電流僅為1.1 μA。LDO穩(wěn)壓器選用CAT6219,其具有僅1 μA的“零”停機(jī)電流模式和極低的55 μA地電流,500 mA滿負(fù)載時(shí)地電流僅85 μA,是電源電壓為2.3～5.5 V電池供電設(shè)備的理想選擇[12]。無線收發(fā)模塊選用美國CEL公司的ZICM2410低功耗ZigBee模塊,其低速率、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)路由功能強(qiáng)大、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)非常適合巷道短距離無線傳輸應(yīng)用[13-14]。

電源管理的設(shè)計(jì)思路為:通過時(shí)鐘芯片SD2403控制系統(tǒng)的采樣周期,每間隔預(yù)設(shè)的固定時(shí)間,電源管理單元自動(dòng)給系統(tǒng)上電,系統(tǒng)進(jìn)行模擬量采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并無線傳輸至地面監(jiān)控主機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后由處理器發(fā)出指令切斷系統(tǒng)電源供給,此時(shí),除電源管理單元外,系統(tǒng)其他所有電路均斷電,直至下一次預(yù)設(shè)的采樣時(shí)間到來并重復(fù)以上過程。電源管理單元主要由CAT6219低壓差線性穩(wěn)壓器、SD2403實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、微功耗單片機(jī)MSP430F247組成。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

CAT6219負(fù)責(zé)給除電源管理單元外的傳感器其他器件供電,不采集時(shí)斷電。EN引腳為控制引腳,高電平時(shí)開啟供電,低電平斷電,由MSP430F247處理器的P2.0引腳控制。SD2403中斷輸出INT與MSP430F247處理器的P1.0引腳連接,作為MSP430F247微處理器的中斷喚醒輸入引腳。系統(tǒng)運(yùn)行分為以下兩個(gè)步驟。

步驟1:傳感器首次接入電池之后,MSP430F247處理器進(jìn)行端口和寄存器初始化設(shè)置,程序設(shè)置SD2403時(shí)鐘芯片的下一次中斷時(shí)間;然后由P2.0引腳輸出低電平使CAT6219關(guān)閉,除電源管理單元外其他器件均斷電;隨后MSP430F247處理器進(jìn)入LPM4微功耗休眠模式。

圖3 傳感器電路圖Fig.3 Circuit of the sensor

步驟2:到達(dá)預(yù)設(shè)中斷時(shí)間后,SD2403時(shí)鐘芯片INT引腳輸出低電平,導(dǎo)致MSP430F247處理器P1.0引腳出現(xiàn)一個(gè)下降沿脈沖而結(jié)束休眠模式,P2.0引腳輸出高電平使CAT6219開啟,系統(tǒng)所有外設(shè)都上電。程序重新設(shè)置SD2403時(shí)鐘芯片的下一次中斷時(shí)間,然后開始采樣并數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后由P2.0引腳輸出低電平,使CAT6219關(guān)閉,除電源管理單元外其他器件均斷電。隨后MSP430F247處理器進(jìn)入LPM4微功耗模式。

無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)的匯集節(jié)點(diǎn),由于布置數(shù)量不需太多且可以布置在方便獲取交流電的位置,因此可采取常規(guī)的無線轉(zhuǎn)光纖、RS-485總線等設(shè)計(jì)方式,通過光纖或電纜與井下交換機(jī)或者直接與地面監(jiān)控主機(jī)連接。設(shè)計(jì)電路不另作詳細(xì)敘述。

3 軟件設(shè)計(jì)

傳感器軟件的主要功能是自動(dòng)完成對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。此外,在完成這些基本設(shè)計(jì)功能的前提下,軟件設(shè)計(jì)還需考慮對(duì)電源管理的優(yōu)化、傳感器無線模塊之間路由規(guī)則優(yōu)化等,精細(xì)控制系統(tǒng)工作時(shí)間。硬件程序采用C語言編寫。

每次采樣周期到來時(shí)系統(tǒng)軟件流程具體如下,系統(tǒng)應(yīng)先對(duì)SD2400時(shí)鐘芯片進(jìn)行設(shè)置并對(duì)本次中斷標(biāo)志清零,通過寫時(shí)間報(bào)警允許寄存器07H～0EH來清除上次報(bào)警中斷,同時(shí)設(shè)置下次報(bào)警中斷時(shí)間,即精確控制電源按預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔開啟。同時(shí),應(yīng)設(shè)置中斷允許位INTAE和控制寄存器2,使INT引腳為報(bào)警中斷輸出。報(bào)警中斷模式位IM設(shè)置為0,即單事件報(bào)警。

MSP430F247處理器每次喚醒后完成采集和數(shù)據(jù)發(fā)送過程,隨后發(fā)出斷電指令并自身再次進(jìn)入LPM4休眠模式。

傳感器系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.4 The work flow of system software

部分主要程序如下。

為減少微處理器有效運(yùn)行的占空比,傳感器與無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程應(yīng)盡量通過中斷程序?qū)崿F(xiàn)。例如當(dāng)通信波特率為9 600 bit/s時(shí),發(fā)送1字節(jié)需要1 ms;而以1 MHz時(shí)鐘執(zhí)行TXBUF0=Chr賦值的過程僅需1 μs,在等待數(shù)據(jù)發(fā)完的過程要浪費(fèi)1 000個(gè)CPU周期用于查詢。若將等待過程進(jìn)入LPM3休眠模式,可大大節(jié)省CPU耗電。

數(shù)據(jù)傳輸程序如下。

上位機(jī)軟件采用VC語言編寫,實(shí)現(xiàn)圍巖變形和錨桿、錨索受力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫寫入、數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)曲線顯示和報(bào)表輸出等功能。圍巖變形曲線如圖5所示,錨桿工作阻力分布頻率顯示界面如圖6所示。

圖5 圍巖變形曲線Fig.5 Wall rock deformation curves

圖6 錨桿工作阻力分布頻率顯示界面Fig.6 Display interface for frequency distribution of anchor rod working resistance

4 功耗計(jì)算和測量

由于MSP430F247處理器在采樣時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài),在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間歇性工作在LPM3休眠和活動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)平均電流計(jì)算公式為[14]:

式中:Ii為第i種狀態(tài)下的功耗;Ti為第i種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間;IS為系統(tǒng)中其他外設(shè)的固定功耗。

為了簡單起見,我們?nèi)SP430F247處理器喚醒后一直工作在活動(dòng)狀態(tài),式(1)可簡化為:

式中:T1為休眠時(shí)間;I1為休眠時(shí)的電流;T2為喚醒運(yùn)行時(shí)間;I2為喚醒運(yùn)行時(shí)的電流;IS為系統(tǒng)中其他外設(shè)的固定功耗。

實(shí)際使用過程中,鑒于圍巖變形監(jiān)測系統(tǒng)并不要求過快的采樣周期,因此,系統(tǒng)每次將SD2403報(bào)警中斷設(shè)置為1 h,即系統(tǒng)每間隔1 h采樣一次,每次采樣和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間持續(xù)10 s。

MSP430F247處理器大部分時(shí)間處于LPM4休眠模式,功耗僅0.1 μA(I1);周期性地被喚醒時(shí),以1 MHz的主頻進(jìn)行工作,功耗約270 μA(I2)。SD2403時(shí)鐘芯片工作電流為1.1 μA,CAT6219停機(jī)模式電流為1 μA,取500 mA滿負(fù)載時(shí)地電流85 μA為采樣階段電流,系統(tǒng)中ZICM2410等其他外設(shè)的固定功耗取實(shí)測最大值約50 mA,可計(jì)算得系統(tǒng)平均電流為:

計(jì)算的系統(tǒng)平均電流為142 μA。系統(tǒng)采用一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.6 V的ER18505型4 000 mAh一次鋰铔硫酰氯電池供電,理論可持續(xù)工作時(shí)間為:4 000 mAh/ 0.142 mA=28 169 h,約1 173 d。

5 結(jié)束語

采用本質(zhì)低功耗、電源管理設(shè)計(jì)的無線圍巖變形自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道兩幫和頂、底板變形量以及錨桿受力、錨索受力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的同時(shí),解決了在缺乏穩(wěn)定可靠的外部電源供電的環(huán)境下進(jìn)行長時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測的難題。采用短距離無線數(shù)據(jù)通信方式,節(jié)省了布線操作,維護(hù)簡單。本方案通過巧妙的電源管理設(shè)計(jì),即僅在采樣和數(shù)據(jù)傳輸過程中消耗電池電量,而在斷電階段,只有電源管理單元維持工作,使得系統(tǒng)功耗大大降低,平均工作電流僅為142 μA。系統(tǒng)采用單節(jié)4 000 mAh電池,理論上即可一次性工作3年以上時(shí)間。

在軟件設(shè)計(jì)方面,通過精確的程序設(shè)計(jì),系統(tǒng)每次開機(jī)的采樣和數(shù)據(jù)傳輸都采用間歇性休眠和活動(dòng)狀態(tài)來最大限度降低系統(tǒng)的空閑等待時(shí)間,節(jié)省功耗。通過精確控制采樣和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間,系統(tǒng)每次上電工作縮短至幾秒之間,實(shí)現(xiàn)了智能化定時(shí)采樣通信和微功耗系統(tǒng)巧妙結(jié)合。

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Design of the Wireless Deformation Monitoring System with Micro-power Consumption for Roadway Wall Rock

Deformation monitoring of roadway wall rock is very important means for evaluating supporting quality,optimizing supporting parameters and ensuring safety of the roof.When installing large amount of deformation sensors for monitoring,there may not be stable external AC power supplies,and the wirings are tedious.Thus the micro-power consumption and timely sampling roadway deformation monitoring system is developed.The system is powered by batteries;and the ZigBee wireless transmission strategy is adopted.Through essentially low power design and optimized software design,the results of practical test verify that the minimum operating current is in μA level,the system can be operated normally up to three years without replacing the batteries.

Timed sampling Automatic sampling Wireless Roadway deformation Micro-power consumption MSP430

TH862

A

天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部青年創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(編號(hào):KJ-2013-TDKC-13)。

修改稿收到日期:2014-04-24。

作者秦海濤(1981-),男,2007年畢業(yè)于中北大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè),獲碩士學(xué)位,助理研究員;主要從事礦用監(jiān)測監(jiān)控、通信系統(tǒng)、傳感器等的研究。