基于WaveMesh網(wǎng)絡(luò)與STM32的煤礦頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳士濤，湯建泉，楊 婕

（1.山東科技大學(xué) 智能裝備學(xué)院，山東 泰安 271000；2.山東科技大學(xué) 采礦工程學(xué)院，山東 泰安 271000）

頂板離層是指巷道頂板巖層中一點(diǎn)與其上方一定深度巖層中某一點(diǎn)的相對(duì)位移量，當(dāng)離層達(dá)到臨界值時(shí)，巷道頂板則會(huì)發(fā)生冒頂。而頂板離層冒頂則是井下采礦作業(yè)常見事故，占井下采礦作業(yè)事故40%以上[1-2]。如何準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)巖層內(nèi)部離層狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)巷道頂板失穩(wěn)前兆，并作出準(zhǔn)確預(yù)警，避免事故發(fā)生，顯得至關(guān)重要。

傳統(tǒng)有線離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝復(fù)雜，后期維護(hù)困難且成本高昂，無法滿足可持續(xù)發(fā)展；而當(dāng)前的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，多采用節(jié)點(diǎn)中繼且不休眠的工作模式，功耗大且故障率高，信號(hào)傳輸也不穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性與實(shí)用性降低[3-4]?；诖耍O(shè)計(jì)一款以WaveMesh協(xié)議為無線通信網(wǎng)絡(luò)和以STM32單片機(jī)為主控芯片的煤礦頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 WaveMesh網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1WaveMesh網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

WaveMesh是一種簡(jiǎn)單、可靠的無線移動(dòng)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有低功耗、低成本特點(diǎn)[5-6]，其定義了完備的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。

WaveMesh網(wǎng)絡(luò)采用分布對(duì)等設(shè)計(jì)，不需中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立運(yùn)行路由信息。包括集中器和節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的所有設(shè)備即插即用，節(jié)點(diǎn)可以隨意增加或者移除，網(wǎng)絡(luò)不需要初始化。相比校ZigBee中心路由節(jié)點(diǎn)不能休眠，WaveMesh網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都支持同步、異步等多種休眠機(jī)制，能夠給有效地降低功耗[7-8]。此外WaveMesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能夠鏈路質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化自動(dòng)選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)冗余，具有優(yōu)異的適應(yīng)性、自愈性和可靠性[9]。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

頂板離層無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由井上部分與井下部分組成。為了后續(xù)能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，在監(jiān)測(cè)頂板離層的基礎(chǔ)上，將錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)、支撐壓力監(jiān)測(cè)等融入到系統(tǒng)中，采用主站、從站設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The diagram of system structure

井下部分用來進(jìn)行頂板離層偏移量數(shù)據(jù)采集，主要由頂板離層監(jiān)測(cè)儀、本安型無線監(jiān)測(cè)分站、本安型無線監(jiān)測(cè)主站、防爆電源組成；井上部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用軟件解析來顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)配置操作或者作出預(yù)警。系統(tǒng)各個(gè)組成部分具能如下：

1）頂板離層監(jiān)測(cè)儀。內(nèi)置2個(gè)高精度位移傳感器，可以分別測(cè)量巷道頂板或兩幫深淺基點(diǎn)離層位移量，每個(gè)測(cè)量斷面設(shè)置3～5個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

2）本安型無線監(jiān)測(cè)分站。匯總1個(gè)測(cè)量斷面內(nèi)所有離層儀測(cè)量的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線通信向上傳輸給監(jiān)測(cè)主站，其邏輯上相當(dāng)于1個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。同時(shí)在硬件設(shè)計(jì)上預(yù)留了升級(jí)接口。

3）本安型無線監(jiān)測(cè)主站。與監(jiān)測(cè)分站之間通過組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)與信息傳輸，用于匯總1個(gè)巷道內(nèi)所有測(cè)量斷面監(jiān)測(cè)分站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并通過光纜將離層數(shù)據(jù)上傳至井上，在邏輯上相當(dāng)于1個(gè)通信集中器[10]。

4）防爆電源。用于給監(jiān)測(cè)分站和監(jiān)測(cè)主站供電。

5）信息傳輸接口。用于將數(shù)據(jù)或指令轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)的硬件

2.1 頂板離層儀

頂板離層儀通常安裝在巷道頂板或者兩幫，為了符合井下防爆標(biāo)準(zhǔn)，兼顧安裝方便，采用電池供電且電池不能隨意更換，為此在硬件電路設(shè)計(jì)上須進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，最大限度降低功耗。頂板離層儀功能框圖如圖2。

圖2 頂板離層儀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure chart of roof separation layer

為了既能滿足對(duì)離層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，又最大限度降低功耗，延長(zhǎng)離層儀使用周期，對(duì)離層數(shù)據(jù)進(jìn)行間隔采集，在采集時(shí)間間隔期間，離層儀處于休眠狀態(tài)。

1）紅外模塊電路。為了安裝時(shí)對(duì)離層儀進(jìn)行校正及參數(shù)配置，設(shè)計(jì)紅外通信電路，通過手持紅外操作器即可完成校正與參數(shù)配置工作。其中紅外收發(fā)芯片采用低功耗的TFDU6103，編解碼器則采用低功耗、高算速的MCP2012，紅外通信電路如圖3。

圖3 紅外通信電路Fig.3 The infrared communication circuit

2）光敏與顯示模塊電路。為了方便井下及時(shí)查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)以及離層儀電池電壓，離層儀采用就地顯示方式，利用4位共陰極數(shù)碼管依次顯示離層儀電池電壓、深淺基點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，采用74LS164實(shí)現(xiàn)片選信號(hào)。為了降低離層儀功耗，延長(zhǎng)離層儀在井下使用周期，采用光敏觸發(fā)方式來實(shí)現(xiàn)離層儀就地顯示，即在井下，當(dāng)使用礦燈或者其他光源照射離層儀時(shí)，光敏元件引發(fā)中斷，從而喚醒離層儀，數(shù)碼管顯示工作狀態(tài)，之后離層儀重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)，數(shù)碼管熄滅。

3）傳感器電路。由于井下工作環(huán)境復(fù)雜且惡劣，在考慮傳感器測(cè)量精度的同時(shí)，對(duì)傳感器的可靠性與可用性提出了更高的要求，為此采用BOURNS多線圈電電位器3590s-2-103L位移傳感器。利用MCU內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器，將傳感器采集的位移參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳感器模塊電路如圖4。

圖4 傳感器模塊電路Fig.4 Sensor module circuit

2.2 無線監(jiān)測(cè)站

由于無線監(jiān)測(cè)分站與主站同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與多種通信工作，需要控制芯片有很強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，因此采用ST公司的STM32F103VET6作為監(jiān)測(cè)站的主控芯片，監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The diagram of monitoring station structure

其中，與分站相比，監(jiān)測(cè)主站在硬件部分則多了1個(gè)485接口和外部存儲(chǔ)SD，485接口用于和井上進(jìn)行通信，使用SD卡存儲(chǔ)離層數(shù)據(jù)。

1）存儲(chǔ)模塊電路。系統(tǒng)存儲(chǔ)主要為2部分：①用來配置系統(tǒng)存儲(chǔ)時(shí)間、數(shù)據(jù)采集模式、采集間隔等參數(shù)信息，方便系統(tǒng)上電之后從存儲(chǔ)模塊中讀取參數(shù)，快速完成初始化配置，設(shè)計(jì)在硬件上采用FM24W256芯片，采用SPI總線方式與主控芯片進(jìn)行讀寫操作；②用來存儲(chǔ)位移參數(shù)信息，由于1條巷道中，整個(gè)系統(tǒng)安裝的監(jiān)測(cè)點(diǎn)多大幾十個(gè)，且工作時(shí)長(zhǎng)在1～2年，需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息巨量，在存儲(chǔ)方案上選擇便攜式SD卡，存儲(chǔ)模塊電路如圖6。

圖6 存儲(chǔ)模塊電路Fig.6 Storage module circuit

2）時(shí)鐘模塊電路。監(jiān)測(cè)主站與分站之間通信間隔、離層儀位移參數(shù)采集以及RTC定時(shí)喚醒等等工作狀態(tài)需要精確時(shí)鐘。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與時(shí)鐘精度，使用一款低功耗、工業(yè)級(jí)時(shí)鐘芯片NXP8563T作為系統(tǒng)外部時(shí)鐘，時(shí)鐘模塊電路如圖7。采用I2C總線方式MCU或STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，時(shí)鐘芯片內(nèi)部復(fù)位低電壓監(jiān)測(cè)、時(shí)鐘監(jiān)聽、報(bào)警燈功能，具有非常高的性價(jià)比。

圖7 時(shí)鐘模塊電路Fig.7 Clock module circuit

3）無線通信電路。針對(duì)監(jiān)測(cè)主站與分站之間要進(jìn)行指令分發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)考慮到巷道可能會(huì)增加斷面監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致分站數(shù)量增加，或者某一分站故障等因素，采用基于WaveMesh協(xié)議的微功率、低功耗無線自組網(wǎng)模塊，在無線終端增加、減少或者缺失時(shí)，能夠重新尋找并覆蓋原始網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，無線通信電路圖如圖8。

圖8 無線通信電路圖Fig.8 Wireless communication circuit

4）電源電路。不論是監(jiān)測(cè)站還是離層儀都包含眾多模塊，各個(gè)模塊的工作電壓也有相應(yīng)要求，為了降低系統(tǒng)的功耗、保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，需要選擇合適的穩(wěn)壓芯片進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)，電源模塊電路圖如圖9。

圖9 電源模塊電路圖Fig.9 Circuit diagram of power supply module

3 系統(tǒng)軟件

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)采取主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即監(jiān)測(cè)主站通過WaveMesh無線網(wǎng)絡(luò)向所有分站進(jìn)行廣播，索要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；分站在獲得指令之后，通過RS485協(xié)議與離層儀進(jìn)行通信，獲取傳感器數(shù)據(jù)，再通過組網(wǎng)系統(tǒng)向主站發(fā)送數(shù)據(jù)，主站軟件流程圖如圖10。

圖10 主站軟件流程圖Fig.10 Master station software flow chart

由于主站的控制核心采用STM32單片機(jī)，所以在上電之后，系統(tǒng)首先要對(duì)包括外部中斷、UART、按鍵、顯示、RTC時(shí)鐘等進(jìn)行端口配置；之后從EEPROM中讀取系統(tǒng)包括采集時(shí)間周期、本機(jī)地址、數(shù)據(jù)傳輸速率等配置信息，并對(duì)系統(tǒng)的外部存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行檢測(cè)，利用UART接口與無線通信模塊進(jìn)行首次握手通信，確保無線通信模塊能夠正常工作，一旦在系統(tǒng)自檢過程中，端口或者外設(shè)異常，則會(huì)通過LCD顯示進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。

若系統(tǒng)自檢無異常，信息配置成功后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行無線組網(wǎng)；當(dāng)采集周期到達(dá)時(shí)，主站則通過無線模塊進(jìn)行全網(wǎng)廣播，索要位移參數(shù)；分站接到廣播之后，與離層儀進(jìn)行通信，獲取傳感器數(shù)據(jù)，并自動(dòng)選取最有路徑將數(shù)據(jù)傳輸給主站，主站同步將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示并上傳井上。

3.2 無線監(jiān)測(cè)分站程序

無線監(jiān)測(cè)分站在邏輯上相當(dāng)于1個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，離層儀通過RS485總線與分站直接連接，所以為了減少后期維護(hù)，延長(zhǎng)使用壽命，在軟件設(shè)計(jì)上必須進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，即采集間隔內(nèi)，處于休眠狀態(tài)。分站軟件流程圖如圖11。

圖11 分站軟件流程圖Fig.11 Substation software flow chart

同主站一樣，在上電之后，也需要端口配置、自監(jiān)測(cè)等操作，待信息配置成功后，分站MCU則將組網(wǎng)申請(qǐng)命令通過無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送給主站，申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，到成功加入網(wǎng)絡(luò)之后，等待主站廣播命令，將離層儀位移參數(shù)發(fā)送給主站。

在組網(wǎng)狀態(tài)下，主站無廣播或者數(shù)據(jù)成功發(fā)送之后，分站則自動(dòng)切斷LCD顯示等外設(shè)電路電源，進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)RTC定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，自動(dòng)喚醒。

3.3 頂板離層儀程序

離層儀軟件主要實(shí)現(xiàn)位移參數(shù)采集與上傳，聲光報(bào)警，數(shù)碼顯示等功能，同時(shí)也要兼顧低功耗。離層儀軟件流程圖如圖12。

圖12 離層儀軟件流程圖Fig.12 Roof separation software flow chart

在傳感器采集位移數(shù)據(jù)之后對(duì)其進(jìn)行判斷，一旦頂板離層超過限值，則進(jìn)行預(yù)警；當(dāng)在井下使用礦燈照射離層儀時(shí)，光敏電路觸發(fā)中斷，數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)位移值。在得到分站索要數(shù)據(jù)指令時(shí)，通過RS485總線將數(shù)據(jù)上傳分站，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

以單節(jié)點(diǎn)為例搭建頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中頂板離層儀上接無線監(jiān)測(cè)分站，分站通過WaveMesh網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的頂板離層數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)主站，主站將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡的同時(shí)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置上傳至上位機(jī)顯示。

為檢驗(yàn)頂板離層儀數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，通過人為牽動(dòng)深、淺基點(diǎn)測(cè)繩來模擬井下工作面頂板發(fā)生位移情況，實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，位移誤差能夠控制在1mm以內(nèi)，頂板離層儀實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

表1 頂板離層儀實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Table1 Experimental measurement data of roof separator

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性，在山東新汶某煤礦井下進(jìn)行安裝試驗(yàn)。在長(zhǎng)度為1500m的巷道中，每50m為1個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，共計(jì)安裝40個(gè)頂板離層，分別對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的深、淺基點(diǎn)變化量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從2019年8月安裝完成至今，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，基于WaveMesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集可靠、無線傳輸穩(wěn)定，滿足煤礦巷道頂板位移的監(jiān)測(cè)需要。

5 結(jié) 語

基于WaveMesh網(wǎng)絡(luò)與STM32設(shè)計(jì)了煤礦頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用主、從站結(jié)構(gòu)，從站與離層儀相接，負(fù)責(zé)位移數(shù)據(jù)采集；主站則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通過光纖與井上通訊，利用WaveMesh低功耗無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主、從站間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)無需由本安電源供電的中繼器進(jìn)行信號(hào)中繼，具備全網(wǎng)休眠、信號(hào)中繼、超低功耗的特點(diǎn)，解決了目前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的可靠性、實(shí)用性差的問題。