基于無線通信的煤礦壓力監(jiān)測系統(tǒng)研究

張玉平

（山西陽城陽泰集團有限責任公司宇昌煤礦， 山西 陽城 048105）

引言

煤礦生產(chǎn)環(huán)境比較特殊，液壓支架壓力、煤柱壓力以及巷道圍巖壓力一直是影響煤炭安全生產(chǎn)的重要因素[1-2]，因此煤礦井下壓力監(jiān)測系統(tǒng)是現(xiàn)代化綜采工作面的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線通信的方式，由于壓力傳感器節(jié)點較多、并且工作面空間狹小、環(huán)境較為惡劣，因此有線通信存在布線困難、通信線纜易磨損、可靠性較差的問題[3-5]。針對這一問題，設(shè)計了基于ZigBee無線通信的壓力監(jiān)測系統(tǒng)。

1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)采集分站以及監(jiān)控主機構(gòu)成。其中傳感器節(jié)點負責采集節(jié)點處的壓力信息，并將這些信息通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)采集分站，從而降低了布線難度，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕煌瑐鞲衅鞴?jié)點所采用的傳感器類型并不相同，包括液壓支架壓力傳感器、煤柱應(yīng)力傳感器、頂板應(yīng)力傳感器；數(shù)據(jù)采集分站一般布置在巷道入口處，用于接收所處巷道內(nèi)的傳感器節(jié)點上傳的信息，并將這些信息通過RS485總線進一步上傳至監(jiān)控主機；監(jiān)控主機位于地面監(jiān)控室，負責將各個位置的壓力傳感器數(shù)據(jù)可視化，工人通過監(jiān)控主機可實現(xiàn)對煤礦井下壓力的實時遠程監(jiān)測。

2 壓力監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

為了減少系統(tǒng)布線，傳感器節(jié)點均采用電池供電，為延長傳感器節(jié)點的使用壽命，在設(shè)計時必須將功耗作為重要參考要素。傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括射頻模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及電源等。

圖1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 無線傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

1）數(shù)據(jù)采集模塊。壓力傳感器是數(shù)據(jù)采集模塊的核心，壓力傳感器的原理是傳感器在受到壓力后，其中的應(yīng)變片會發(fā)生形變，應(yīng)變片的形變會造成其電阻值的變化，從而在電橋上形成與壓力成正比的電壓信號，并且能夠保證很好的線性關(guān)系，控制器通過分析電壓信號即可獲得該處的壓力信號。

2）數(shù)據(jù)處理模塊。由于傳感器采用自供電方式，因此對處理器的功耗有著較高的要求，控制核心選用CC2530，該芯片以增強型8051為內(nèi)核，集成了ZigBee協(xié)議棧，具有成本低、功耗小的特點，在睡眠模式下，CC2530的電流僅僅只有不到1uA，即使在工作模式下，其發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時所需要的電流分別是29 mA和24 mA，也維持在一個比較低的水平。CC2530集成了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以將壓力傳感器發(fā)出的電壓信號轉(zhuǎn)換成處理器可以識別的數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號通過DMA傳輸?shù)酱鎯ζ鬟M行保存。

3）射頻模塊。傳感器節(jié)點采用ZigBee無線通信上傳信息，CC2530不僅可以作為控制核心，由于其為ZigBee提供了完善的片上SOC解決方案，因此CC2530還要充當射頻芯片，其通信頻率為2.4 GHz。井下工作環(huán)境較差，空間狹小且障礙物較多，因此采用范圍擴展器CC2591與CC2530配合使用，提高通信距離，保證無線通信的穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)據(jù)采集分站設(shè)計

數(shù)據(jù)采集分站結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)采集分站主要由射頻模塊、微控制器、觸摸屏以及通信模塊構(gòu)成。射頻模塊依然由CC2530和CC2591組成，負責接收來自傳感器節(jié)點的信息；但是由于數(shù)據(jù)采集分站需要處理的數(shù)據(jù)量較大，所以CC2530不再作為控制核心，微控制器選用32位嵌入式芯片STM32F103VET6，該芯片的主頻可以達到72 MHz，性能強大，CC2530和STM32微控制器通過SPI總線完成通信；數(shù)據(jù)采集模塊將各位置壓力信息匯總后通過RS485總線傳輸至上位機；工作人員也可以通過觸摸屏實時監(jiān)測各位置的壓力信息并可以發(fā)出控制命令。

圖3 數(shù)據(jù)采集分站硬件結(jié)構(gòu)圖

3 壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 井下無線通信機制研究

由于煤礦井下巷道較為狹長，對無線通信距離有著較高要求，本文在ZigBee通信“多跳”特性的基礎(chǔ)上提出了線性接力傳輸方式。井下無線通信機制如圖4所示，首先給每個傳感器節(jié)點設(shè)定一個唯一確定的地址，將數(shù)據(jù)采集分站作為ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，并把其地址設(shè)置為0×0000，把距離數(shù)據(jù)采集分站最近的1號傳感節(jié)點的地址設(shè)置為0×0001，然后其他節(jié)點的地址依次類推。完成對傳感器節(jié)點的初始化工作之后，所有節(jié)點開始默認等待接收同步時間。首先由數(shù)據(jù)采集分站向1號傳感器節(jié)點發(fā)送同步時間命令，1號傳感器節(jié)點在收到同步時間命令后一方面回傳給數(shù)據(jù)采集分站一個應(yīng)答指令，另一方面也會根據(jù)命令啟動睡眠定時器，然后將時間同步命令發(fā)送給下一個傳感器節(jié)點，即2號節(jié)點；2號節(jié)點在收到同步時間命令后的處理程序與前者一致，并且1號節(jié)點在收到2號節(jié)點發(fā)送的應(yīng)答指令后會轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)，用于接收2號節(jié)點發(fā)出的指令；隨后的節(jié)點不斷轉(zhuǎn)發(fā)同步時間命令，直到發(fā)送至最后一個傳感器節(jié)點N。

圖4 井下無線通信機制示意圖

傳感器如果發(fā)送10次同步時間命令后仍沒有收到應(yīng)答指令，即確認其為最后一個節(jié)點，并將其采集的數(shù)據(jù)傳輸至上一個，即N-1號節(jié)點，N-1號節(jié)點在接收到信息后會給N號節(jié)點發(fā)送一個應(yīng)答信號，N號節(jié)點接收到應(yīng)答信號確認其發(fā)送的信息已被接收后即進入睡眠模式；然后N-1號節(jié)點將自身采集到的數(shù)據(jù)以及N號節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至N-2號節(jié)點，并重復(fù)上述過程，這樣以此類推，所有節(jié)點采集到的壓力信息就都被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集分站中。

3.2 傳感器節(jié)點軟件優(yōu)化設(shè)計

要降低無線傳感器功耗，提高使用壽命，除了在硬件設(shè)計上選用低功耗芯片外，在軟件設(shè)計方面也需要進行低功耗優(yōu)化。軟件程序需要重點進行優(yōu)化的環(huán)節(jié)有三部分，包括信息收發(fā)程序、時間同步通信機制程序以及控制器調(diào)度程序。節(jié)點的工作流程如圖5所示。

傳感器節(jié)點通過無線通信收發(fā)數(shù)據(jù)是該裝置工作過程中功耗最大的環(huán)節(jié)，要降低該環(huán)節(jié)的功耗首先是要取消故障節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)能力，當節(jié)點由于故障無法完成正常通信后，即將該節(jié)點的工作模式由網(wǎng)絡(luò)模式轉(zhuǎn)換到單機模式，在單機模式下的傳感器節(jié)點能夠正常采集數(shù)據(jù)，但是無法完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，而無線通信網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點也不再使用該節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

引入時間同步通信機制本身就可以降低無線傳感器節(jié)點的功耗。這是因為射頻模塊在收發(fā)數(shù)據(jù)時所需要的功耗很高，而在睡眠模式下功耗很低；為了降低功耗就需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在較短的時間完成通信，其他時間都進入睡眠模式，時間同步機制能夠保證同時喚醒節(jié)點，在快速完成通信后同時進入睡眠狀態(tài)，這樣在保證低功耗的同時還能使各無線傳感器節(jié)點之間的功耗平衡。

CC2530作為控制核心，主要采用中斷的方式調(diào)用子程序，從而減少主循環(huán)程序中輪詢的子程序數(shù)量，模數(shù)轉(zhuǎn)換程序即采用中斷處理方式，控制器只有在采集到數(shù)據(jù)時才會調(diào)用程序進行轉(zhuǎn)換，不需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時就直接進入待機模式，從而降低了處理器的功耗。

4 功耗測試

無線傳感器節(jié)點的工作流程為：被喚醒、采集數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、進入睡眠狀態(tài)。在這5個環(huán)節(jié)中，CC2530的工作電流并不相同，采集數(shù)據(jù)的工作電流I1為12.8 mA，接收數(shù)據(jù)的工作電流I2為35 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時的電流I3為53 mA，睡眠狀態(tài)的電流I4為0.001 mA，數(shù)據(jù)顯示時的電流I5為45 mA。

在一個數(shù)據(jù)周期T內(nèi)數(shù)據(jù)采集時間T1=200 ms、數(shù)據(jù)接收時間T2=2 s、數(shù)據(jù)發(fā)送時間T3=15 ms、命令轉(zhuǎn)發(fā)時間T4=1.5 ms、指令接收時間T5=2 s、數(shù)據(jù)顯示時間T6=5 s。其余時間節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，睡眠狀態(tài)時間T7=T-（T1+T2+T3+T4+T5+T6）。

將一次周期時間T設(shè)定為30 min，那么一個周期內(nèi)單節(jié)點的電量消耗計算公式如下：

代入數(shù)據(jù)計算得Q1=145165.2836 mA·ms。

由于單節(jié)點的周期為30 min，所以每天需要完成48個周期，設(shè)定工作人員每天查看10次數(shù)據(jù)，因此一天消耗的電量計算公式如下：

代入數(shù)據(jù)計算得Q'1=2.56 mA·ms。

由于無線傳感器節(jié)點的電池電量為2.4 A·h，假設(shè)電池的轉(zhuǎn)換效率為80%，即電池實際可用電量為1.92 A·h，因此無線傳感器節(jié)點可以連續(xù)工作750 d，完全滿足現(xiàn)場要求。

5 結(jié)語

基于ZigBee無線通信的壓力監(jiān)測系統(tǒng)可靠性高、布線難度低，解決了煤礦井下壓力有線監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題。該系統(tǒng)引入了時間同步機制，降低了功耗，經(jīng)過計算，無線傳感器節(jié)點的使用壽命能夠滿足煤礦井下要求。