宋鑫，宋建成，田慕琴，陳惠英，李新勝

（太原理工大學煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，太原030024）

基于無線跳頻通訊的液壓支架工作狀態(tài)無線采集和監(jiān)測系統(tǒng)的研究*

宋鑫，宋建成*，田慕琴，陳惠英，李新勝

（太原理工大學煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，太原030024）

針對煤礦井下綜采工作面液壓支架機械狀態(tài)信息獲取困難，無法監(jiān)測其工作狀態(tài)的問題，提出了一種基于無線跳頻通訊感知液壓支架工作狀態(tài)的方法，設計了無線感知傳感器，它利用電阻式應變片將壓力、應力等力學信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過無線收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)交換。開發(fā)了基于C8051F020和nRF905射頻電路的無線收發(fā)模塊，模塊之間通過無線跳頻的方式通訊，在多個信道進行數(shù)據(jù)傳輸，可避免同頻信號對傳輸數(shù)據(jù)的干擾?；贗EEE 802.11相關(guān)協(xié)議，采用CSMA/CA、RTS/CTS/ DATA/ACK握手機制和CRC差錯校驗機制，可確保無線通信的可靠性?？紤]液壓支架的支護狀態(tài)和安全強度，提出了液壓支架安全程度分級方法，實現(xiàn)對液壓支架機械故障的預警，進而為液壓支架的壽命管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

液壓支架；無線跳頻通訊；安全分級；狀態(tài)監(jiān)測

EEACC：6150；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.027

液壓支架作為煤礦井下綜采工作面的關(guān)鍵支護設備，由于其所處工況環(huán)境復雜，長時間在高強度載荷作用下，會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件形變、磨損、斷裂等機械故障［1］，從而引發(fā)大面積的壓架事故，直接影響整個綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全。目前，國內(nèi)對于液壓支架的故障檢測主要是通過人員識別和非接觸式探傷儀探傷的方法［2-3］，效率低、可靠性和實時性差，無法獲取液壓支架工作狀態(tài)的實時變化過程。

為了能夠監(jiān)測井下綜采工作面液壓支架的實時安全支護狀態(tài)，對液壓支架結(jié)構(gòu)件的受力情況踐行全面感知非常重要。對于大型機械設備，目前已廣泛采用狀態(tài)檢測技術(shù)，并通過無線通訊方式來采集狀態(tài)數(shù)據(jù)，分析其運行狀態(tài)［4］。但對于液壓支架，因為工作面空間狹窄，工況環(huán)境惡劣，煤塵濃度高，若采用簡單的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)液壓支架遠程在線監(jiān)測，傳輸可靠性難以得到保證。雖然國內(nèi)有許多礦井采用了液壓支架電液控制系統(tǒng)系統(tǒng)，來實現(xiàn)對液壓支架的自動化作業(yè)，同時對液壓支架的立柱液壓腔壓力進行在線監(jiān)測［5-6］。但監(jiān)測數(shù)據(jù)不足以全面反映液壓支架的狀態(tài)數(shù)據(jù)，無法完成對液壓支架的安全支護狀態(tài)進行評估和預測。

本文就上述問題，在融合多種無線傳感器［7］的基礎上，提出了一種基于無線跳頻通訊感知液壓支架工作狀態(tài)的方法，最終通過上位機實現(xiàn)液壓支架工作狀態(tài)的評估，實現(xiàn)對液壓支架的安全預警。

1　液壓支架狀態(tài)的物理感知

1.1液壓支架工作狀態(tài)

以井下最常用的掩護式液壓支架［8］為例，如圖1所示。掩護式液壓支架主體是由底座、前后連桿、立柱、掩護梁和頂梁板等鋼結(jié)構(gòu)件組成。而其在動態(tài)運動過程中受頂板、煤矸石和刮板機等不對稱作用力的影響，各主結(jié)構(gòu)件尤其像銷軸連接耳、焊縫等處會因集中受力出現(xiàn)形變甚至斷裂的機械損傷，進而影響整體結(jié)構(gòu)的機械強度。

圖1　掩護式液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)綜合分析，選取液壓支架主體結(jié)構(gòu)件應力集中處作為監(jiān)測點，如反映立柱下腔壓力的立柱初撐力和反映立柱安全閥壓力的支護強度，這兩個參數(shù)是液壓支架的重要技術(shù)指標，均可以反映液壓支架的工作狀態(tài)。

1.2工作狀態(tài)的無線感知

由于主結(jié)構(gòu)件的應力檢測點較多，傳統(tǒng)的有線檢測方式會受到空間、環(huán)境和接口等諸多因素限制，因此本文對液壓支架工作狀態(tài)的感知采用無線通訊方式來實現(xiàn)。

主要無線感知元件包括檢測應力的無線應變傳感器，檢測立柱下腔壓力和安全閥壓力的無線壓力傳感器。上述兩種無線傳感元件的核心是由低功耗nRF905無線數(shù)傳芯片和混合信號系統(tǒng)級MCU芯片C8051f020構(gòu)成的無線收發(fā)模塊。無線感知傳感器和數(shù)據(jù)接收節(jié)點的工作方式如圖2所示。

圖2　無線感知傳感器的工作示意圖

應力和壓力的檢測是通過電阻式應變片將力學信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大和濾波電路構(gòu)成的調(diào)理電路，將可識別的模擬量信號通過由nRF905和C8051f020構(gòu)成的無線發(fā)射模塊，以無線跳頻的方式與接收模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

無線發(fā)射模塊i（i≤m）表示m個無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點中的一個，該模塊位于液壓支架的各個檢測點處，均為鋰電池供電；而無線接收模塊j（j≤n）表示整個工作面n個數(shù)據(jù)接收節(jié)點的一個，每架液壓支架上設有一個。數(shù)據(jù)接收節(jié)點用于接收液壓支架上m個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的應力和壓力數(shù)據(jù)，并存儲于外部RAM實現(xiàn)本地存儲。同時，數(shù)據(jù)中心會定時通過RS485總線巡檢整個工作面n個數(shù)據(jù)接收節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)接口將所有數(shù)據(jù)上傳至地面數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，實現(xiàn)井下液壓支架機械狀態(tài)的上傳。

由于地面數(shù)據(jù)監(jiān)控中心監(jiān)測管理的數(shù)據(jù)直接來源于工作面數(shù)據(jù)接收節(jié)點，因此壓力和應力數(shù)據(jù)無線采集的可靠性至關(guān)重要，這需要穩(wěn)定的通訊方式來保障。

2　無線跳頻通訊方式

井下工作面環(huán)境復雜，干擾較多，為了能夠有效降低干擾信號對無線通訊數(shù)據(jù)的干擾，需要設計傳輸性能可靠的無線通訊協(xié)議確保無線通訊的可靠傳輸。本文基于nRF905無線數(shù)傳芯片，以無線跳頻的通訊方式，通過合理的通訊協(xié)調(diào)機制和數(shù)據(jù)差錯校驗方式，實現(xiàn)無線感知節(jié)點（數(shù)據(jù)采集節(jié)點）和數(shù)據(jù)接收節(jié)點間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.1通訊網(wǎng)絡拓撲

安裝于液壓支架上的無線感知節(jié)點和數(shù)據(jù)接收節(jié)點采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)點對多的無線通訊，如圖3所示。與網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲、星-網(wǎng)混合型網(wǎng)絡拓撲相比，星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)簡單，功耗最低［9］。

圖3　星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

2.2無線跳頻通訊的實現(xiàn)

無線跳頻通訊的核心是單片射頻芯片nRF905，它可工作于433/868/915 MHz的ISM頻段，最高工作速率50 kbit/s，通過SPI接口與微處理器通訊。它具有高效的GFSK調(diào)制能力，抗干擾能力強，內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多通訊地址控制，特別適合工業(yè)控制場合。該芯片實際使用引腳如圖3所示。

圖4　nRF905引腳示意圖

它可工作于四種模式，如表1所示。具體工作模式是由芯片引腳CE、TxEN、PWR電平?jīng)Q定，而且各工作模式切換時間極短，不超過650 μs。

表1　nRF905的工作模式

其正常的工作模式為ShockBurst RX和Shock?Burst TX。最大發(fā)射功率10 dBm下的發(fā)送和接收模式的工作電流分別為9 mA和12.5 mA，而且節(jié)電模式下工作電流僅為2.5 μA。

2.2.1通訊協(xié)議

在無線通訊過程中傳輸?shù)膬?nèi)容是應力、壓力和控制命令，它門按照一定的順序和格式排列后依次傳送。這里使用了控制命令幀和數(shù)據(jù)幀，其中控制命令幀包括RTS、CTS、ACK幀，數(shù)據(jù)幀為DATA幀，協(xié)議幀內(nèi)容借鑒了IEEE802.11協(xié)議［10］。

①數(shù)據(jù)幀DATA

目的地址+源地址+66H+0/1+DATA+len

目的地址為數(shù)據(jù)接收節(jié)點的地址號，源地址為無線感知節(jié)點的地址號；66H為數(shù)據(jù)幀DATA標識號；0/1表示應力數(shù)據(jù)/壓力數(shù)據(jù)；DATA為有效數(shù)據(jù)值占兩個字節(jié)；len為有效數(shù)據(jù)長度。DATA幀共7個字節(jié)。

②請求發(fā)送幀RTS

目的地址+源地址+77H+len_data+CH_index

77H為控制命令幀標識號；len_data為DATA幀總的字節(jié)數(shù)；CH_index為跳頻通訊各頻道的索引號。RTS幀共5個字節(jié)。

③取消發(fā)送幀CTS

目的地址+源地址+77H+Time

Time為數(shù)據(jù)接收節(jié)點接收DATA幀所需時間，由nRF905通訊速率和DATA幀字節(jié)數(shù)估算得出。CTS幀共4個字節(jié)。

④數(shù)據(jù)確認幀ACK

目的地址+源地址+77H

ACK幀共3個字節(jié)。

2.2.2可靠傳輸策略

基于IEEE802.11協(xié)議中的RTS/CTS/DATA/ ACK模式，采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

①CSMA/CA（載波偵聽多點接入/沖突避免）

當感知節(jié)點要與接收節(jié)點建立通訊連接，首先需要通過爭取到空閑總線，然后在相應信道進行數(shù)據(jù)傳輸。而當多個感知節(jié)點同時偵聽到空閑總線時會造成信道擁堵而引起通訊崩潰。本文采用CSMA/CA的方式，設置退避時間來避免沖突，即當信號發(fā)射端檢測到信道空閑時不能立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是要在一段退避時間后再發(fā)送數(shù)據(jù)，使多個感知節(jié)點按次序征用總線，以此來避免沖突。

nRF905內(nèi)部硬件則提供了實現(xiàn)載波偵聽的功能，當感知節(jié)點的載波檢測引腳CD發(fā)現(xiàn)與設定接收頻率相同的載波時會被置高，最終根據(jù)軟件編程設置延時確定的退避時間實現(xiàn)總線信道的有效利用。

②RTS/CTS/DATA/ACK的握手機制

隱藏節(jié)點是無線網(wǎng)絡需考慮的關(guān)鍵問題，直接決定著無線網(wǎng)絡性能。如圖5所示，A和C同時向B傳輸數(shù)據(jù)，由于A在發(fā)送數(shù)據(jù)時無法檢測到C也在向B發(fā)數(shù)據(jù)，B節(jié)點接收到數(shù)據(jù)會發(fā)生錯誤。對于A來說，C就是隱藏節(jié)點，即由于距離限制而導致某節(jié)點無法檢測到介質(zhì)競爭對手的存在［11-12］。

圖5　隱藏節(jié)點問題示意圖

RTS/CTS/DATA/ACK的握手機制即用來解決隱藏節(jié)點問題的。感知節(jié)點先向接收節(jié)點發(fā)送RTS請求與接收節(jié)點通訊，接收節(jié)點收到RTS后，向感知節(jié)點回發(fā)CTS幀。感知節(jié)點接收到CTS后表明連接建立完成，開始向接收節(jié)點發(fā)送DATA數(shù)據(jù)；如果感知節(jié)點沒有接到CTS，則重發(fā)RTS請求命令，直到連接成功，如果重發(fā)次數(shù)超出規(guī)定值，則轉(zhuǎn)跳通訊信道。當接收節(jié)點接收完數(shù)據(jù)后回發(fā)ACK數(shù)據(jù)確認幀，表明接收成功，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。這樣通過握手確認的方式避免了節(jié)點之間的沖突，增強了數(shù)據(jù)交換的可靠性。

③CRC差錯校驗

在無線傳輸過程中，數(shù)據(jù)接收端會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包或被干擾的情形，導致通訊差錯。CRC差錯校驗即可解決上述問題，它是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯功能，對數(shù)據(jù)進行多項式計算，并將得到的結(jié)果加在數(shù)據(jù)幀的后面，接收端也執(zhí)行相同的算法，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。

在nRF905內(nèi)部也提供了CRC的硬件支持。當傳輸數(shù)據(jù)在接收端如果因CRC校驗出錯會被nRF905自動丟棄，使得發(fā)送節(jié)點無法獲得接收節(jié)點返回的數(shù)據(jù)確認ACK幀。出現(xiàn)這種情況后，采用數(shù)據(jù)重發(fā)機制進行差錯控制，即在通訊超時的間隔內(nèi)沒有收到接收節(jié)點的ACK則重發(fā)。重發(fā)超過3次就放棄本次通訊，轉(zhuǎn)跳通訊頻率。

2.2.3低功耗設計思路

本文中無線感知節(jié)點的供電采用12 V/2 600 mAh可充電鋰電池，因此低功耗的設計是保證其長久續(xù)航的關(guān)鍵。

無線感知節(jié)點硬件電路在采用低功耗芯片的前提下，針對其主要功耗來源于空閑偵聽和控制信號消耗的特點，本文采用自適應性周期工作和睡眠機制，使空閑狀態(tài)的感知節(jié)點進入休眠狀態(tài)，以減少空閑偵聽。同時，感知節(jié)點的數(shù)據(jù)采集周期設置為3 s，其中工作時間為200 ms，其余為休眠時間，工作時間遠小于休眠時間。具體思路如下：

當感知節(jié)點向接收節(jié)點發(fā)送請求數(shù)據(jù)發(fā)送時，在RTS幀中設置了DATA幀的字節(jié)數(shù)，接收節(jié)點收到RTS后，估算出完成本次通訊所需時間Time，加到CTS幀中，非握手節(jié)點接收到CTS幀后，根據(jù)提取的Time時間進入休眠狀態(tài)，省去了不必要的信道偵聽功耗。這樣某信道被占用后，僅有一個感知節(jié)點處于工作狀態(tài)，信道利用率也隨之提高。感知節(jié)點在完成一次數(shù)據(jù)傳輸后，直接進入休眠狀態(tài)，直到下一個采樣周期才被喚醒。這樣通過控制節(jié)點偵聽空閑時間和工作模式，即可實現(xiàn)降低功耗和提高信道利用率。

2.2.4跳頻通訊

本文設置nRF905工作于433MHz頻段，采用5個信道進行通訊，分別為控制信道423 MHz（0）和數(shù)據(jù)信道427 MHz（1）、431 MHz（2）、435 MHz（3）、439 MHz（4）。其中控制信道用于控制命令RTS/ CTS/ACK的傳輸，而數(shù)據(jù)信道用于應力、壓力數(shù)據(jù)DATA的傳輸。當傳輸數(shù)據(jù)受到同頻信號干擾時則轉(zhuǎn)跳至其它信道進行通訊。本文數(shù)據(jù)幀初始工作信道為427 MHz，通訊信道頻率按1-3-2-4-1的規(guī)律跳轉(zhuǎn)，加大了轉(zhuǎn)跳頻率帶寬，降低了干擾概率。

跳頻通訊的載波頻率fop是由nRF905內(nèi)部配置寄存器中的CH_index和HFREQ_PLL字節(jié)完成設置，由式（1）計算：

其中，當HFREQ_PLL=0時，nRF905工作于433 MHz頻段。而CH_index表示數(shù)據(jù)通訊信道數(shù)組的索引號，用于跳頻通訊，如1表示427 MHz，3表示435 MHz。

通常情況下，感知節(jié)點和數(shù)據(jù)接收節(jié)點都工作于控制信道423 MHz。當感知節(jié)點在控制信道上偵聽到信道空閑時，向接收節(jié)點發(fā)送RTS幀，該幀含有該感知節(jié)點的數(shù)據(jù)信道信息CH_index。接收節(jié)點收到RTS后提取CH_index，在向該感知節(jié)點發(fā)送CTS幀后，跳入對應數(shù)據(jù)信道，等待感知節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。感知節(jié)點在收到接收節(jié)點的CTS后，同樣跳入該信道并發(fā)送有效數(shù)據(jù)。當有效數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，感知節(jié)點收到接收節(jié)點的ACK幀，則感知節(jié)點結(jié)束本次通訊；如果沒有收到ACK幀且沒有達到最大重發(fā)次數(shù)，感知節(jié)點就向接收節(jié)點繼續(xù)發(fā)送該有效數(shù)據(jù)；而如果連續(xù)重發(fā)次數(shù)達到規(guī)定次數(shù)，則更換通訊頻道，完成一次跳頻，等待下一次采樣周期，在另外一個信道進行數(shù)據(jù)傳輸。感知節(jié)點和數(shù)據(jù)接收節(jié)點跳頻通訊的工作流程圖分別如圖6和圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)接收節(jié)點通訊流程圖

3　機械狀態(tài)的監(jiān)測管理

無線感知節(jié)點通過無線跳頻通訊的方式將各架液壓支架上的機械狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲于各自數(shù)據(jù)接收節(jié)點的外部RAM中，位于端頭架的數(shù)據(jù)中心節(jié)點通過485總線定時巡檢工作面所有數(shù)據(jù)接收節(jié)點中機械狀態(tài)數(shù)據(jù)，匯集完后最終通過以太網(wǎng)接口上傳至地面監(jiān)控中心，完成數(shù)據(jù)處理和分析，最終通過壓力和應力體現(xiàn)的液壓支架支護狀態(tài)和安全強度校核來實現(xiàn)對液壓支架安全和故障狀態(tài)的監(jiān)測管理。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)框圖

3.1液壓支架支護狀態(tài)

液壓支架的支護狀態(tài)是通過支架的立柱初撐力和支護強度反應的，二者是液壓支架最重要的技術(shù)指標［13-14］。

液壓支架支護強度實質(zhì)上反映了支架在工作中能承受頂板的載荷，由式（2）計算：

其中，支架工作阻力F1為液壓支架在恒阻承載階段的作用力，由式（3）計算：

其中，D為立柱缸體內(nèi)徑（cm），N為立柱數(shù)量，Pa為立柱安全閥的壓力（MPa），α為立柱傾角。

不同類型的液壓支架在不同類型的頂板狀態(tài)下對應不同的支護強度標準，通過對支護強度的實時監(jiān)測，可描述其在井下的支護狀態(tài)和頂板圍巖的工作環(huán)境狀態(tài)［15］。

支架初撐力是立柱下腔液體壓力達到泵站壓力時，支架對頂板所產(chǎn)生的初始支護力。額定初撐力計算如式（4）所示：

其中，Pb表示泵站額定壓力（MPa），實際計算應為支架立柱高壓腔的壓力。

結(jié)合采煤過程頂板來壓的運動規(guī)律和監(jiān)控中心的立柱下腔壓力值，及時調(diào)節(jié)泵站供壓，進而調(diào)節(jié)支架立柱的初撐力，防止液壓支架在每個采煤循環(huán)過程中處于“低初撐力-高工作阻力”的惡性循環(huán)，避免支架受力不均衡造成壓架事故［16］。

在我國，根據(jù)綜采工作面礦壓觀測結(jié)果的統(tǒng)計分析，《煤礦支護手冊》、《采煤機械化成套設備參考手冊》等資料中有要求初撐力不小于額定工作阻力的80%。而不同頂板類型下的初撐力和額定工作阻力的關(guān)系如表2所示。

表2　不同頂板類型下的初撐力和額定工作阻力的關(guān)系

以穩(wěn)定與堅硬頂板為例說明，ZY4000/17/37型掩護式液壓支架的工作阻力為4000 kN，立柱缸徑為200 mm。當泵站供液壓力為31.5 MPa時，可計算出其初撐力為1 978 kN，初撐力/額定工作阻力為49.4%。根據(jù)表2要求，此時液壓支架支護狀態(tài)處于崩潰邊緣，需提高泵站壓力以提高支架初撐力，使其達到標準范圍內(nèi)。

3.2液壓支架安全強度校核

液壓支架的主體結(jié)構(gòu)為鋼材，而鋼材的力學特征可通過應力應變（σ-ε）關(guān)系反應［17］，如圖9所示。

圖9　拉伸測試試驗下σ-ε關(guān)系曲線

當結(jié)構(gòu)件實際所受應力超過屈服強度σs，即屈服階段中應力最大點處將會產(chǎn)生不可恢復的永久變形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生重構(gòu)，會影響其承載能力；而當實際受力超出抗拉極限σb時，鋼材會完全喪失對形變的抵抗能力而出現(xiàn)斷裂。

而在液壓支架設計過程中，各結(jié)構(gòu)件往往需要進行強度校核，而強度校核是以屈服強度σs來計算安全系數(shù)N的，因此本文根據(jù)相應結(jié)構(gòu)件的許用安全系數(shù)來反映液壓支架的安全信息［14］。強度條件如式（5）所示：

其中，N表示安全系數(shù)，［n］表示各個結(jié)構(gòu)部件的許用安全系數(shù)。表3是相關(guān)結(jié)構(gòu)件的許用安全系數(shù)。

表3　許用安全系數(shù)表

安全系數(shù)主要取決于人們對客觀規(guī)律的理解程度和設備發(fā)生事故的危害程度，它的作用主要是為使用設備預留一定余量，以彌補理論漏洞和制造無法檢測的缺陷［18］。本文根據(jù)不同的許用安全系數(shù)的百分比范圍來對液壓支架各結(jié)構(gòu)件的安全狀態(tài)進行分級，以此來評判其安全狀態(tài)，如表4所示。

若液壓支架的主結(jié)構(gòu)件采用15CrMo普通低合金鋼結(jié)構(gòu)，其屈服強度為459 MPa。以頂梁為例，若無線應變傳感器檢測到目標位置所受應力為400 MPa，計算出［n］=1.15，大于其許用安全系數(shù)1.1，安全等級為安全；若其所受應力為550 MPa，［n］= 0.83，則安全等級為極度危險狀態(tài)，須立即處理。

表4　安全分級

4　結(jié)論

本文針對當前井下液壓支架工作狀態(tài)在線監(jiān)測困難的問題，對液壓支架工作狀態(tài)的監(jiān)測和管理進行了深入研究，得出以下結(jié)論：

①提出了利用液壓支架支護狀態(tài)和安全強度校核來對液壓支架的機械狀態(tài)進行安全分級，完成液壓支架機械狀態(tài)的監(jiān)測管理和安全狀態(tài)的評估分析。

②提出了一種基于無線跳頻通訊的方法，通過CSMA/CA、RTS/CTS/DATA/ACK握手機制和差錯校驗機制，確保了無線通訊的可靠傳輸，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

③通過在傳輸協(xié)議幀中設置預估通訊時間，結(jié)合無線感知設備的工作模式合理切換，有效減少了無線通訊過程中空閑偵聽能量損失，確保了感知節(jié)點低功耗運行。

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宋鑫（1992-），男，碩士研究生，現(xiàn)主要研究煤礦電氣設備和智能控制技術(shù)，372851351@qq.com；

宋建成（1957-），男，教授，博士生導師，太原理工大學電氣與動力工程學院院長，長期致力于電氣工程學科礦用智能電器、電力設備壽命評估、電力系統(tǒng)繼電保護、煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控等領域的科學研究，sjc6018@163.com。

Research on Condition Collecting and Monitoring System of Mining Hydraulic Support Based on Frequency Hopping Wireless Communication*

SONG Xin，SONG Jiancheng*，TIAN Muqin，CHEN Huiying，LI Xinsheng
（Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Aiming at solving the problem of accessing mine hydraulic support mechanical states，a novel method of sensing hydraulic support mechanical states based on frequency hopping wireless communication has been pro?posed，and a new kind of wireless sensing device has been designed.Wireless sensors adopted resistance strain gauges to change mechanical signal to electric signal，so as it can be identified by MCU.The wireless transceiver communication models based on C8051F020 and nRF905 were developed，so that data can be transferred through several channels to avoid the same frequency signal interference.Besides，based on the protocol of IEEE802.11，CS?MA/CA，three-handshake scheduling and the CRC error checking mechanism were adopted to ensure reliability of the wireless communication.According to the hydraulic support states and security strength，the author put forward a safety level method for its mechanical states，which can give prior warning for hydraulic support accidents and pro?vide reliable data to the life management of the hydraulic supports.

hydraulic support；frequency hopping wireless communication；security classification；state monitoring

TD65+5.3；TD67；TP212.9

A

1004-1699（2016）09-1457-07

項目來源：國際科技合作與交流專項項目（0S2013ZR0493）；山西省科技重大專項項目（20131101029）

2016-03-05修改日期：2016-04-03