井下分布式無線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姬海超，王曉榮，蓋德成

（1.南京工業(yè)大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京211816；2.青島本末巖控技術(shù)有限公司，山東 青島 266590）

井下分布式無線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姬海超1，王曉榮1，蓋德成2

（1.南京工業(yè)大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京211816；2.青島本末巖控技術(shù)有限公司，山東 青島 266590）

為解決煤礦下現(xiàn)有集中式控制應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)可靠性差、施工困難的問題，基于分布式控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了適用于煤礦下復(fù)雜環(huán)境的分布式應(yīng)力監(jiān)測通信系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件電路及軟件設(shè)計(jì)。以分布式無線ZigBee為核心設(shè)計(jì)無線終端采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取井下支護(hù)設(shè)備應(yīng)力。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳至上位機(jī)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，可靠性強(qiáng)，能夠滿足實(shí)際監(jiān)測需求。

煤礦；分布式控制；應(yīng)力監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；通信系統(tǒng)

0　引言

煤礦井下復(fù)雜的工況環(huán)境存在諸多如頂板斷裂、支架變形、巷道底鼓、頂板離層等安全隱患[1]。為安全生產(chǎn)，我國已有部分煤礦建立了煤礦巷道安全監(jiān)測系統(tǒng)，但早期集中式控制的礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)，其控制任務(wù)過于集中，易造成主機(jī)負(fù)荷重，系統(tǒng)不穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性差，而且大多采用電纜連接監(jiān)測設(shè)備，致使井下布線繁雜，移動不便，系統(tǒng)成本高[2]。一旦串聯(lián)的通信電纜發(fā)生故障，監(jiān)測系統(tǒng)就會癱瘓。因此，本文提出分布式控制無線網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)，采用新型集成無線射頻模塊組成分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成無線分布式控制的井下應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下支護(hù)設(shè)備應(yīng)力監(jiān)測的全面性、實(shí)時(shí)性。

1　分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行分散控制、集中管理的一種綜合型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般分為現(xiàn)場層、控制層、監(jiān)控層和管理層四層[3]。每個(gè)層級都有對應(yīng)的功能，層級之間可以相互通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

分布式無線控制應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)分為井上和井下兩個(gè)部分，井上為監(jiān)控中心層，井下為集中控制層和采集節(jié)點(diǎn)層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集節(jié)點(diǎn)層即終端節(jié)點(diǎn)，是構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)的基本單元，安裝在井下頂板、液壓支架、錨固設(shè)備上，負(fù)責(zé)壓力數(shù)據(jù)采集、存儲，并將數(shù)據(jù)傳到集中控制層的協(xié)調(diào)器中。路由節(jié)點(diǎn)是無線通信的中繼器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和命令的自動中繼傳輸，以擴(kuò)大分布式無線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。集中控制層的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)無線通信和有線通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過CAN總線上行傳送壓力數(shù)據(jù)，下行傳送上位機(jī)指令。

監(jiān)控中心層的傳輸接口在井上通過CAN總線下達(dá)命令，匯總?cè)舾赏ㄐ欧终镜臄?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至中央處理平臺。監(jiān)測管理人員可以通過上位機(jī)軟件讀取實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)、繪制實(shí)時(shí)曲線、查詢歷史數(shù)據(jù)、打印報(bào)表等，也可發(fā)送控制命令，方便對井下壓力情況的分析和預(yù)測。

2　采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)采集、通信的穩(wěn)定性，也要考慮到無線傳輸距離、器件的防爆性能。終端節(jié)點(diǎn)硬件組成如圖2，供電模塊為整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)提供電源，是其他功能實(shí)現(xiàn)的前提；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集壓力計(jì)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù) A/D轉(zhuǎn)換并將處理的二進(jìn)制數(shù)通過 GPIO端口傳送給主芯片；主芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和終端節(jié)點(diǎn)本身采集的數(shù)據(jù)；ZigBee模塊要實(shí)現(xiàn)命令的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送，與路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

圖2　終端節(jié)點(diǎn)硬件組成框圖

主芯片選用 STM32F103中等容量增強(qiáng)型，工作電壓是1.8～3.6 V，其低功耗適用于電池供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。存儲模塊選用M25P16，容量2 MB，與主芯片之間采用SPI通信。時(shí)鐘芯片選用 DS1302，其與主芯片通過3根信號線連接，采用電源3.3 V和紐扣電池供電，兩種供電方式不同時(shí)供電，紐扣電池作為備用電源，當(dāng)設(shè)備斷電時(shí)時(shí)鐘模塊正常工作。無線模塊選用增強(qiáng)型ZigBee，用戶通過AT指令集來進(jìn)行各種操作。傳感器采用 CLY型壓力傳感器，其內(nèi)置阻抗大，功耗低，監(jiān)測范圍寬，穩(wěn)定性好，性價(jià)比高。

2.1傳感器信號調(diào)理電路

傳感器數(shù)據(jù)采集是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，傳感器的測量精度和穩(wěn)定性取決于信號的采集和調(diào)理。應(yīng)力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，為提高采樣精度，要通過調(diào)理電路放大微弱的電壓信號[4]。設(shè)計(jì)采用低功耗的AD623芯片，其工作電壓范圍寬，共模輸入范圍可擴(kuò)展到地電平150 mV以下，能夠測量較低或沒有共模部分的小差分信號，更適合電池供電的低功耗設(shè)備。

AD623在單電源3.3 V供電下，提供滿電源幅度的輸出，輸出電壓公式為 V0=（1+100K/R）Vin+Vref，由單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，因此能夠得到很好的靈活性。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3，其中電容、電阻構(gòu)成濾波電路防止射頻干擾。CLY型傳感器由模擬 3.3 V隔離供電，壓力傳感器信號接入AD623輸入端，經(jīng)過運(yùn)放處理輸出的放大信號接入 CPU，最大工作電流小于 10 mA，功率小于1/3 W。

圖3　A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2供電模塊

系統(tǒng)正常運(yùn)行需要為終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器提供所需能量，系統(tǒng)供電如圖4。井下電路的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)依據(jù) GB3836爆炸性環(huán)境系列標(biāo)準(zhǔn)[5]，終端采集節(jié)點(diǎn)為保證低功耗，除主芯片模塊和Flash模塊常供電外，各模塊供電通過MOS管控制，在需要實(shí)現(xiàn)模塊功能時(shí)，主芯片IO端口控制MOS管導(dǎo)通供電，功能完成后關(guān)斷以降低功耗。

圖4　系統(tǒng)供電框圖

礦下常用127 V交流電，直接使用本安隔爆電源轉(zhuǎn)直流12 V，再通過LM7805轉(zhuǎn)5 V，采用兩級降壓的方法能夠防止一級電源電壓波動造成干擾，為接口和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的電壓源。電源輸入端正負(fù)極短接TVS管用以過壓保護(hù)，同時(shí)正極輸入端接2個(gè)低壓降低阻抗的二極管，為短路防反接提供雙重保護(hù)[6]。電源正端串接PTC熱敏電阻進(jìn)行過流過載電路保護(hù)，短路時(shí) PTC發(fā)熱呈現(xiàn)高阻態(tài)使電路處于相對“斷開”狀態(tài)，保護(hù)電路不受破壞。故障排除后，PTC自動恢復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。

終端節(jié)點(diǎn)采用4節(jié)1.5 V的1號串聯(lián)電池組供電，應(yīng)盡可能降低功耗以延長使用壽命。為滿足本安要求，電池組串接一個(gè)常溫標(biāo)稱阻值為 1 Ω的 PTC提供短路保護(hù)。防爆試驗(yàn)中，電池組短路電流不大于5 A，短路發(fā)熱最高溫94℃，無漏液現(xiàn)象，適用于井下環(huán)境。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

井下巷道的分布大都呈線型結(jié)構(gòu)，工作面上的支護(hù)設(shè)備、液壓支架等分布距離較小，考慮設(shè)備的特殊布局和節(jié)點(diǎn)能耗不等的問題，系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

路由節(jié)點(diǎn)初始化后，自動加入?yún)f(xié)調(diào)器已經(jīng)建立好的通信網(wǎng)絡(luò)并建立路由表[7]。其無線模塊供電后，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)功能，將采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)匯總后轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，接收協(xié)調(diào)器發(fā)過來的指令信息后轉(zhuǎn)發(fā)給目的終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式和上位機(jī)指令格式見表1、表2。其中上位機(jī)功能碼有4個(gè)：0X01讀取傳輸接口數(shù)據(jù)；0X02廣播更改終端節(jié)點(diǎn)的時(shí)間；0X03更改協(xié)調(diào)器編號；0X04設(shè)置安裝終端節(jié)點(diǎn)，以方便在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上的液晶屏顯示通信狀態(tài)。

表1　終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式

表2　上位機(jī)指令數(shù)據(jù)格式

3.1協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮R聚中心，是整個(gè)分布式控制無線網(wǎng)絡(luò)的核心[8]。每個(gè)分布式ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5。在節(jié)點(diǎn)中各模塊初始化完成后需要建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)搜索信道后申請加入，協(xié)調(diào)器自動篩選申請加入的節(jié)點(diǎn)并分配地址建立列表。

圖5　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

協(xié)調(diào)器通過CAN控制器ADM3053把接收到的子節(jié)點(diǎn)的 ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，然后通過CAN總線、USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。此外，下行通信可以向下傳送主機(jī)的命令指令，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)包發(fā)送給分布式網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)。

3.2終端節(jié)點(diǎn)

終端采集節(jié)點(diǎn)上載有3個(gè)通道壓力傳感器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲和上傳，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。程序流程如圖6，終端節(jié)點(diǎn)上電后，無線模塊自動進(jìn)行初始化，然后請求加入無線網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到請求信號后會返回一個(gè)包含協(xié)調(diào)器ID和對應(yīng)終端節(jié)點(diǎn) ID的信號，ID編號具有唯一性，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，防止發(fā)生通信沖突。加入網(wǎng)絡(luò)后，在滿足采集條件時(shí)采集并保存數(shù)據(jù)至外部 Flash防止網(wǎng)絡(luò)中斷數(shù)據(jù)丟失，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器或就近的路由節(jié)點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)休眠，保持低功耗。

數(shù)顯模塊驅(qū)動采用內(nèi)部自帶鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動芯片SM1668，可有效控制亮度來降低功耗。數(shù)碼管的顯示采用按鍵喚醒，當(dāng)按下按鍵時(shí)，數(shù)碼管輪詢顯示當(dāng)前終端節(jié)點(diǎn)編號、時(shí)間間隔、實(shí)時(shí)壓力數(shù)值。顯示時(shí)間為 3 s，結(jié)束后自動關(guān)閉顯示功能以降低功耗。

圖6　終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4　系統(tǒng)測試與分析

井下巷道中節(jié)點(diǎn)呈鏈狀分布，為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，選取長寬高分別為 120 m、2 m、3.6 m的走廊模擬巷道，將若干終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)懸掛于墻壁上。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與傳輸接口之間通過CAN總線連接，中間接上10 km雙絞線距離仿真板。走廊內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)外接電位計(jì)模擬壓力傳感器打壓，用示波器測得數(shù)據(jù)波形如圖7，相鄰一組收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為 150 ms，系統(tǒng)模擬 16臺采集節(jié)點(diǎn)，巡檢周期2.4 s。采集節(jié)點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行一周后，其中一個(gè)模擬傳感器的實(shí)時(shí)壓力值部分曲線如圖8。

圖7　采集節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)波形

井上工作人員可以設(shè)定壓力上限、下限報(bào)警值，方便直觀地對測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控、及時(shí)掌握情況并采取相應(yīng)措施保證生產(chǎn)安全。同時(shí)可以在 Access數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出 Excel歷史數(shù)據(jù)表，如圖9，方便技術(shù)人員分析測點(diǎn)數(shù)據(jù)，制定合理的生產(chǎn)計(jì)劃。

經(jīng)連續(xù)運(yùn)行模擬測試，上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄壓力數(shù)據(jù)并繪制曲線，在壓力值不變的情況下監(jiān)測的數(shù)據(jù)基本維持一條水平直線，調(diào)節(jié)電位計(jì)，壓力值曲線也隨之改變并保存歷史數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)丟包的情況，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)采集具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足井下的使用需求。

圖8　上位機(jī)顯示界面

圖9　Excel歷史數(shù)據(jù)

5　結(jié)語

井下分布式控制的無線監(jiān)測系統(tǒng)解決了集中式控制系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護(hù)困難的問題，各采集節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，可靠性高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)滿載時(shí)分布式控制通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)巡檢周期為2.4 s，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)壓力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提升了礦井頂板塌方災(zāi)害的感知能力，促進(jìn)了安全生產(chǎn)。但系統(tǒng)只是通過模擬測試，通信的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)沖突等問題還有待實(shí)際使用驗(yàn)證。

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Design of distributed wireless stress monitoring system of coal mine

Ji Haichao1，Wang Xiaorong1，Gai Decheng2
(1.College of Automation and Electrical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China；2.Qingdao Ins.&Outs.Strata Control Tech Co.Ltd.，Qingdao 266590，China)

To overcome the problem of less reliability and construction difficulty in centralized control system of stress monitoring, an approach of distributed control system based on wireless sensor network for stress monitoring is proposed.The system framework, hardware circuit and software design are described in detail.Based on distributed wireless ZigBee,terminal sensor node is designed to obtain the dynamic stress data in real time.The data in coordinator are uploaded to master computer through CAN bus and then to be processed.Testing result shows that the system has good real time ability,high reliability and can meet the practical demand of stress monitoring.

coal mine；distributed control；stress monitoring；wireless sensor network；communication system

TD76

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.012

2015-05-27)

姬海超（1990-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：礦用儀器儀表，E-mail：jihaichao123@foxmail.com。

王曉榮（1972-），男，副教授，主要研究方向：分析儀器和嵌入式系統(tǒng)。

蓋德成（1988-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向：礦山壓力與巖層的安全分析。

中文引用格式：姬海超，王曉榮，蓋德成.井下分布式無線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：45-47，59.

英文引用格式：Ji Haichao，Wang Xiaorong，Gai Decheng.Design of distributed wireless stress monitoring system of coal mine[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：45-47，59.