基于低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 凱，張艷東

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司安居煤礦，山東 濟(jì)寧 272100）

0 引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓已經(jīng)成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)是煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)主體部分，通過(guò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)采煤工作面的應(yīng)力變化實(shí)現(xiàn)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)程序的預(yù)警［1－6］。目前，市面上較先進(jìn)的應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用有線傳輸、無(wú)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、ZigBee自組網(wǎng)傳輸［7－10］。有線傳輸準(zhǔn)確、可靠，但安裝布線麻煩，增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。無(wú)線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸不能組網(wǎng)，不適于大容量布置測(cè)點(diǎn)，且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差。ZigBee自組網(wǎng)傳輸安裝方便［11］，但不支持移動(dòng)自組網(wǎng)［12］，網(wǎng)絡(luò)級(jí)跳受限，不適于長(zhǎng)距離遠(yuǎn)傳，且功耗較高，需經(jīng)常更換電池。由于煤礦井下經(jīng)常停電檢修會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸中斷，數(shù)據(jù)會(huì)存在丟失現(xiàn)象，影響了監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，不利于分析工作面應(yīng)力變化趨勢(shì)。傳統(tǒng)的應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)還存在著監(jiān)測(cè)精度低、受安裝精度影響較大的缺點(diǎn)。

本文將從降低鉆孔應(yīng)力傳感器的功耗、提高測(cè)量精度、保證監(jiān)測(cè)的連續(xù)性方面出發(fā)，進(jìn)行應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及各組成部分的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由無(wú)線鉆孔應(yīng)力傳感器、紅外遙控發(fā)送器、數(shù)據(jù)傳輸分站、數(shù)據(jù)傳輸接口、監(jiān)控主機(jī)組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

為方便工人維護(hù)，無(wú)線鉆孔應(yīng)力傳感器通過(guò)紅外遙控發(fā)送器可現(xiàn)場(chǎng)修改編號(hào)。無(wú)線鉆孔應(yīng)力傳感器通過(guò)無(wú)線、自組網(wǎng)的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸分站，數(shù)據(jù)傳輸分站將接收到的數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警，并通過(guò)RS485通信發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸接口，數(shù)據(jù)傳輸接口將數(shù)據(jù)打包通過(guò)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上傳到地面監(jiān)控主機(jī)。地面監(jiān)控主機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)變化，并通過(guò)應(yīng)力云圖直觀展示和預(yù)警。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 鉆孔應(yīng)力傳感器

鉆孔應(yīng)力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回采工作面前方煤巖體相對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律和掘進(jìn)迎頭后方煤層塑化規(guī)律，揭示巖層運(yùn)動(dòng)與支承壓力、鉆屑量與鉆孔應(yīng)力之間的關(guān)系。鉆孔應(yīng)力傳感器主要由鉆孔應(yīng)力表、應(yīng)力計(jì)、壓力轉(zhuǎn)換件組成。

傳統(tǒng)油枕式應(yīng)力計(jì)的測(cè)量精度受安裝角度影響較大，必須保證應(yīng)力計(jì)水平放置，才能達(dá)到最佳的監(jiān)測(cè)效果。為解決該問(wèn)題，本文對(duì)鉆孔應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在原有2片應(yīng)變片的基礎(chǔ)上，再增加2片應(yīng)變片，垂直焊接，采用十字交叉式的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力計(jì)由2個(gè)受力方向增加到4個(gè)受力方向，可以有效地解決安裝角度對(duì)測(cè)量精度的影響。十字交叉式應(yīng)力傳感器選取特殊金屬材質(zhì)及自動(dòng)激光焊接工藝加工而成，壓力轉(zhuǎn)換件及應(yīng)力計(jì)各連接點(diǎn)采用全自動(dòng)焊接技術(shù)，有效地杜絕應(yīng)力計(jì)漏油現(xiàn)象，具有靈敏度高、測(cè)量精度高、壓力保持好、承壓能力強(qiáng)、質(zhì)量可靠的優(yōu)點(diǎn)。

鉆孔應(yīng)力表硬件組成如圖2所示。鉆孔應(yīng)力表由光控電路、信號(hào)放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路、無(wú)線通信電路、主控器、可控電源電路組成。鉆孔應(yīng)力表采用低功耗模塊化設(shè)計(jì)，電源管理分主控器選擇STC的STC8A4K60S2A12芯片，該芯片具有省電模式，功耗低至5μA。無(wú)線通信模塊采用休眠模式，休眠時(shí)功耗僅為0.5μA。主控器在不工作時(shí)自動(dòng)進(jìn)入省電模式，由外部中斷或者無(wú)線模塊的引腳上升沿喚醒后進(jìn)入工作模式，可以最大程度節(jié)約功耗。

圖2 鉆孔應(yīng)力表硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of borehole stress meter

鉆孔應(yīng)力表由3節(jié)LR20南孚電池串聯(lián)供電，額定電壓4.5 V，為保證電池供電時(shí)間，電源芯片選擇低壓差穩(wěn)壓芯片RT9193－3.3 V，僅需0.1 V壓差即可正常工作，最大輸出電流100 mA，具有控制引腳，可以由主控器控制開通和關(guān)斷。采用4路可控電源電路設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)低功耗，對(duì)不同電路供電分開控制，電源1為主控器、光控電路供電，電源2為無(wú)線通信電路供電，電源3為數(shù)碼管顯示電路供電，電源4為壓力傳感器、信號(hào)放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路供電。壓力傳感器選擇BY－1－KJ型，量程0～60 MPa，靈敏度1.5 mV，供電電壓為3.3 V。壓力傳感器輸出差分電壓信號(hào)范圍為0～4.95 mV，運(yùn)算放大器選擇單電源供電的OP07，運(yùn)算放大器選擇放大倍數(shù)為500倍。經(jīng)放大后的信號(hào)電壓范圍為0～2.475 V，送入12位AD轉(zhuǎn)換電路，由AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)送入主控器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔應(yīng)力的采集，量程為0～60 MPa，測(cè)量精度為0.1 MPa。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸分站

數(shù)據(jù)傳輸分站主要由主控器、2.8 in液晶顯示屏、RS485通信電路、無(wú)線通信電路、掉電存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、聲光報(bào)警電路組成。主控器選擇IAP15W4K58S4，具有4路串口，可滿足通信要求。RS485通信電路選擇立功科技的RSM3485PHT模塊，可以將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)流控，無(wú)需單獨(dú)控制485的傳輸方向，具有通信穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、無(wú)線通信電路采用WaveMesh自組網(wǎng)的管理模塊，供電電壓為3.3 V，通過(guò)串口與主控器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。掉電存儲(chǔ)電路采用W25QF128存儲(chǔ)器件，存儲(chǔ)空間為16 MByte，可以滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。為保證上傳數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)，設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路，選用DS1302芯片。

數(shù)據(jù)傳輸分站具有無(wú)線數(shù)據(jù)采集功能，最大可采集128臺(tái)鉆孔應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)顯示在線的應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)力數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可發(fā)出聲光預(yù)警信號(hào)。分站液晶屏可以顯示與數(shù)據(jù)傳輸接口的通信狀態(tài)，當(dāng)前分站號(hào)，以及應(yīng)力傳感器的狀態(tài)是否正常。分站具有RS485通信接口，將采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸接口，最遠(yuǎn)傳輸距離為2 km。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，分站采用18 V不間斷電源供電，分站具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，當(dāng)與主站通信中斷時(shí)，分站可存儲(chǔ)不小于8 h的數(shù)據(jù)，當(dāng)通信恢復(fù)時(shí)自動(dòng)續(xù)傳，保證了通信中斷時(shí)數(shù)據(jù)不丟失。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸接口

為將分站采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷鳈C(jī)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸接口。數(shù)據(jù)傳輸接口具有RS485接口與分站通信，將RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信電信號(hào)，通過(guò)Socket連接與地面主機(jī)通信，最大通信距離為10 km。

2.4 紅外遙控發(fā)送器

紅外遙控發(fā)送器具有修改鉆孔應(yīng)力傳感器編號(hào)的功能。紅外遙控發(fā)送器由2.8 in液晶屏、3×3矩陣鍵盤、紅外發(fā)射電路組成。紅外發(fā)射電路如圖3所示，由主控器產(chǎn)生38 kHz方波驅(qū)動(dòng)，主控器通過(guò)串口調(diào)制發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 紅外發(fā)射電路Fig.3 Schematic of infrared emission

3 系統(tǒng)軟件

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程Fig.4 Data acquisition flow chart

應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由分站控制，分站按1 min周期向無(wú)線管理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)集采指令，當(dāng)無(wú)線管理模塊收到集采指令后，向下廣播指令，將鉆孔應(yīng)力傳感器的無(wú)線模塊喚醒，無(wú)線模塊通過(guò)上升沿觸發(fā)主控器進(jìn)入到到工作模式，主控器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波處理，并與上周期采集的數(shù)據(jù)對(duì)比，若數(shù)據(jù)有變化則發(fā)送給無(wú)線模塊，發(fā)送完成后關(guān)閉傳感器電源，進(jìn)入到低功耗模式，若無(wú)變化則不發(fā)送，以降低功耗。分站接收到傳感器上送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析處理顯示，若超過(guò)預(yù)警閥值，則發(fā)出聲光預(yù)警信號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

地面主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)采集井下鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù)，地面主機(jī)每隔1 min建立一次鏈接，主動(dòng)向分站發(fā)送輪詢指令，分站接收到指令后，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)打包上傳。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，分站上傳數(shù)據(jù)幀增加了CRC校驗(yàn)和數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)校驗(yàn)，主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，若數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和檢驗(yàn)碼均正確，存儲(chǔ)該幀數(shù)據(jù)，并向分站發(fā)送數(shù)據(jù)確認(rèn)幀，本次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，主機(jī)斷開鏈接。若主機(jī)接收到的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)或校驗(yàn)碼不正確，分站會(huì)繼續(xù)上傳該幀數(shù)據(jù)。

3.3 低功耗設(shè)計(jì)

由于鉆孔應(yīng)力傳感器采用電池供電，為了延長(zhǎng)傳感器的壽命，本文采用了低功耗設(shè)計(jì)，主要從無(wú)線模塊的休眠與喚醒機(jī)制、電路板低功耗2個(gè)方面考慮。

數(shù)據(jù)傳輸分站采用無(wú)線管理模塊，其控制無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗，本文采用同步休眠機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)休眠，同時(shí)喚醒，由無(wú)線管理模塊在工作時(shí)間片結(jié)束時(shí)刻向全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)逐級(jí)廣播本次休眠的時(shí)間長(zhǎng)度，各相鄰無(wú)線節(jié)點(diǎn)現(xiàn)時(shí)間片的同步。同步休眠模式下相鄰節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間片的誤差低于1 ms，可以在工作時(shí)間片起始時(shí)刻立即進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要進(jìn)行無(wú)線喚醒或其它的同步操作。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，在休眠模式下，無(wú)線模塊的功耗低至0.1μA。

鉆孔應(yīng)力傳感器正常時(shí)處于休眠模式，僅保留無(wú)線模塊和主控器的供電，其余電源均關(guān)閉。在數(shù)據(jù)集采、光照或者按鍵觸發(fā)時(shí)主控器進(jìn)入到工作模式，待數(shù)據(jù)采集、顯示、發(fā)送完成后傳感器再次進(jìn)入到休眠模式。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，傳感器待機(jī)電流低于0.5 mA，工作電流低于30 mA，3節(jié)南孚LR20型號(hào)電池串聯(lián)可有效工作12個(gè)月以上，極大了延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件算法實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面介紹了基于低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下應(yīng)力的在線監(jiān)測(cè)。本文改進(jìn)了應(yīng)力計(jì)的結(jié)構(gòu)，提高了應(yīng)力的監(jiān)測(cè)精度，在系統(tǒng)低功耗方面給出了硬件和軟件的解決方案。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，具有測(cè)量精度高、功耗低、維護(hù)量小、容量大、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以有效地避免沖擊地壓事故的發(fā)生，當(dāng)出現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)異常時(shí)可及時(shí)報(bào)警，采取泄壓解危措施，保證企業(yè)安全生產(chǎn)。