胡　亮

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

0　引言

煤礦的巷道頂板離層是生產(chǎn)過程中的安全隱患，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)[1]?，F(xiàn)有的巷道頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)大部分是通過有線網(wǎng)絡(luò)建立的，存在安裝采煤工作量大、成本高以及維護(hù)困難的問題。隨著煤礦采煤工作面的不斷變更，有線監(jiān)測系統(tǒng)如不能靈活調(diào)整、擴(kuò)展，將造成資源浪費[2-3]。無線監(jiān)測系統(tǒng)多采用ZigBee和WaveMesh兩種通信網(wǎng)絡(luò)。由于ZigBee需要路由節(jié)點進(jìn)行中繼且不能休眠，導(dǎo)致綜采面需要本安電源給路由節(jié)點供電，增加了系統(tǒng)故障率、降低了系統(tǒng)可靠性；WaveMesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點休眠和工作電流大，縮短了傳感器的電池備用時間，增加了系統(tǒng)維護(hù)工作量[4-5]?；诖?，設(shè)計了一種基于SmartMesh鏈狀無線傳感網(wǎng)絡(luò)的低功耗無線頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)。

1　SmartMesh網(wǎng)絡(luò)特點及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1　網(wǎng)絡(luò)特點

SmartMesh是由Linear公司推出的一款基于6LoWPAN和IEEE 802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無線自組網(wǎng)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)由管理器和節(jié)點組成。1個網(wǎng)絡(luò)中，只有1個管理器和最多100個節(jié)點[6]。管理器和節(jié)點通信具有節(jié)點主動上傳數(shù)據(jù)和管理器全網(wǎng)廣播2種模式。管理器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、管理及接收節(jié)點數(shù)據(jù)，不能休眠。節(jié)點可休眠，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)上傳、中繼，最多支持32次中繼。網(wǎng)絡(luò)組建后，節(jié)點自動選擇可通信范圍內(nèi)的3個最優(yōu)鏈路的上游節(jié)點作為中繼父節(jié)點，并每隔一段時間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行1次動態(tài)優(yōu)化。數(shù)據(jù)上傳時，節(jié)點自動選取最優(yōu)路徑進(jìn)行傳輸。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在少量節(jié)點故障時，系統(tǒng)仍能保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。節(jié)點休眠功耗為1.2 μA，最大發(fā)射功率為8 dBm,發(fā)射電流為9.7 mA，具有超低功耗的特點[7]。表1為SmartMesh網(wǎng)絡(luò)主芯片LTC5800與ZigBee網(wǎng)絡(luò)主芯片CC2530、WaveMesh網(wǎng)絡(luò)主芯片CC1110N的主要技術(shù)參數(shù)。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

1.2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由地面和井下兩部分組成，包括頂板離層傳感器、信號轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和數(shù)據(jù)處理主機(jī)。傳感器包含Mote電路，安裝在井下巷道頂板，對頂板離層位移狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，安裝間隔一般為50 m。信號轉(zhuǎn)換器包含Manager電路，安裝在井下巷道端頭，負(fù)責(zé)采集網(wǎng)絡(luò)中傳感器的頂板位移數(shù)據(jù)，通過RS-485數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送至以太網(wǎng)；地面調(diào)度室上位機(jī)通過串口服務(wù)器虛擬出的串口閱讀數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過解析后，得出各監(jiān)測點的頂板位移數(shù)據(jù)，并且繪制實時曲線圖。系統(tǒng)可查詢歷史數(shù)據(jù)，并具有報表打印等功能。無線頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　設(shè)計過程

2.1　傳感器設(shè)計

2.1.1傳感器硬件設(shè)計

傳感器安裝于井下巷道頂板，對頂板淺基點及深基點的位移參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至信號轉(zhuǎn)換器。巷道頂板離層發(fā)生變化時，帶動深基點和淺基點的探頭變化，從而導(dǎo)致磁敏角度傳感器發(fā)生電壓信號變化。微控制單元(micro controller unit,MCU)通過內(nèi)部12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)采集電壓，即可得出頂板位移變化。由于傳感器安裝位置不便于維護(hù)，要求電池備用時間超過1年[8]，因此采用5 Ah具有低自放電效應(yīng)的鋰亞硫酸氯電池供電。鋰亞硫酸氯電池是鋰電池的一種，具有自放電率超低、尺寸小的特點，非常適用于低功耗系統(tǒng)。

傳感器硬件采用分區(qū)、分時供電設(shè)計，軟件采用休眠控制方式實現(xiàn)低功耗的控制。傳感器硬件框圖如圖2所示。

圖2　傳感器硬件框圖

在組網(wǎng)成功狀態(tài)下，1#電源開關(guān)關(guān)閉，MCU進(jìn)入休眠并每隔一段時間自動喚醒進(jìn)行采集、發(fā)送數(shù)據(jù)；2#電源開關(guān)用于控制無線通信單元的供電，當(dāng)傳感器長時間找不到網(wǎng)絡(luò)時，MCU控制2#電源開關(guān)關(guān)閉并進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低傳感器功耗。傳感器可通過紅外遙控器和數(shù)碼管顯示單元對傳感器進(jìn)行初始設(shè)置。正常狀態(tài)下，遙控和數(shù)碼管電路不工作。當(dāng)?shù)V燈照射傳感器顯示窗時，光感電路感受到光強度變化，向MCU發(fā)送觸發(fā)信號。MCU控制數(shù)碼管顯示配置信息和實時采集位移值。

2.1.2傳感器軟件設(shè)計

傳感器軟件主要實現(xiàn)初始化、位移量采集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送和低功耗控制功能。首先，MCU對通用異步收發(fā)傳輸器(universal asychronous receiver/transmitter,UART)、ADC、定時器等功能模塊進(jìn)行初始化配置，讀取傳感器的設(shè)備地址、網(wǎng)絡(luò)ID等配置信息。通過UART接口與無線模塊進(jìn)行握手通信，確認(rèn)雙方處于正常工作狀態(tài)。然后，MCU設(shè)置無線模塊的工作模式并向無線節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)申請命令字，向控制節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)申請。ADC根據(jù)MCU內(nèi)部實時時鐘(real time clock,RTC)每小時采集1次。采集電壓信號后，根據(jù)函數(shù)公式計算出位移數(shù)據(jù),然后根據(jù)組網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行存儲或發(fā)送。組網(wǎng)狀態(tài)下，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，MCU關(guān)閉外圍電路電源并進(jìn)入休眠狀態(tài)，1 h后再通過RTC定時器自動喚醒并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；未組網(wǎng)狀態(tài)下，MCU將數(shù)據(jù)存儲到FLASH中，組網(wǎng)成功后再將數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。光敏和紅外電路硬件連接MCU的外部中斷源，可在MCU休眠狀態(tài)下強制喚醒，操作完成后MCU自動恢復(fù)到休眠狀態(tài)。傳感器軟件流程如圖3所示。

圖3　傳感器軟件流程圖

2.2　信號采集器設(shè)計

2.2.1信號采集器硬件設(shè)計

信號采集器采用外部本安電源供電，一般放置在巷道端頭[9]。其負(fù)責(zé)組建SmartMesh無線網(wǎng)絡(luò)并對網(wǎng)絡(luò)中的傳感器進(jìn)行管理，將頂板位移數(shù)據(jù)通過RS-485上傳到交換機(jī)環(huán)網(wǎng)。采集器主要由MCU、無線管理節(jié)點、RS-485通信模塊、看門狗電路、聲光報警電路、LCD液晶屏和紅外遙控電路組成。采集器的初始化除通過系統(tǒng)地面中心站用軟件進(jìn)行設(shè)置外，還可以通過采集器內(nèi)以紅外接收芯片為核心的遙控電路，使用紅外遙控器進(jìn)行就地手動初始化設(shè)置并保存，無須打開機(jī)蓋。設(shè)置內(nèi)容包括通信波特率、網(wǎng)絡(luò)ID、本機(jī)地址等。

MCU通過具有硬件流控制的UART接口與無線管理節(jié)點實現(xiàn)半雙工通信，控制無線管理節(jié)點管理無線網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)中的頂板離層傳感器進(jìn)行初始配置、數(shù)據(jù)采集等操作。MCU將接收到的傳感器數(shù)據(jù)解析后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行LCD顯示、超限報警處理并轉(zhuǎn)換成有線傳輸(RS-485)的數(shù)據(jù)格式，再借助工業(yè)以太網(wǎng)平臺上傳到監(jiān)控中心。如果交換機(jī)與采集器的RS-485通信斷線，采集器將解析的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部的FLASH中，待通信恢復(fù)后再進(jìn)行上傳，保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性?？撮T狗自動復(fù)位電路可實現(xiàn)對集器內(nèi)主板的電源及程序運行情況的監(jiān)測。當(dāng)出現(xiàn)電源電壓過低或因意外造成分站程序跑飛時，及時向控制系統(tǒng)輸出復(fù)位信號使之自動復(fù)位，以恢復(fù)正常工作。信號采集器硬件框圖如圖4所示。

圖4　信號采集器硬件框圖

2.2.2信號采集器軟件設(shè)計

信號采集器軟件流程如圖5所示。

圖5　信號采集器軟件流程圖

采集器上電后，首先初始化MCU的UART、定時器等功能模塊，讀取鐵電存儲器中的傳感器地址、網(wǎng)絡(luò)ID等配置信息，并在LCD進(jìn)行顯示。Manager無線模塊與MCU通過UART接口進(jìn)行通信，Manager與MCU首先進(jìn)行握手通信，確認(rèn)雙方的底層鏈路是否正常。若握手不成功，在多次初始化操作后，由LCD進(jìn)行故障提示。握手成功后，MCU可對Manager進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)ID、上報信息類型等配置；然后，發(fā)送組建網(wǎng)絡(luò)命令，控制Manager組建無線網(wǎng)絡(luò)，等待可通信區(qū)域內(nèi)的傳感器加入無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)組建完成后，Manager可對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器發(fā)送信息，也可接收來自傳感器內(nèi)無線模塊的數(shù)據(jù)；然后，Manager通過UART發(fā)送數(shù)據(jù)到MCU進(jìn)行分析處理，并在LCD實時顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)要求多個傳感器在同一時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送，故采用硬件流控制的方法解決Manager與MCU通信存在的數(shù)據(jù)并發(fā)沖突。

2.3　中心站軟件設(shè)計

中心站軟件通過交換機(jī)環(huán)網(wǎng)獲取傳感器采集的頂板位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)解析可實時完成頂板離層變化量和變化速度分析，并繪制規(guī)律曲線等相關(guān)顯示圖，同時完成離層日報表查詢和打印，以及根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)警。軟件平臺由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和展示層構(gòu)成。其通過交換機(jī)環(huán)網(wǎng)獲取井下傳感器采集的頂板位移基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立各類分析模型，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行實時自動分析；必要時，還可以集中研究平臺端的分析過程，出具分析報告，更好地為煤礦提供礦壓分析服務(wù)。

數(shù)據(jù)處理層是整個系統(tǒng)的核心，由Active MQ服務(wù)器、平臺分析程序、數(shù)據(jù)庫3部分組成，負(fù)責(zé)從Active MQ服務(wù)器中接收各地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包分類、解析，并將原始數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中；然后，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行再次分析，得到分析結(jié)果，再存入數(shù)據(jù)庫供Web終端查詢使用。展示層是系統(tǒng)與用戶的交互層，以B/S架構(gòu)實現(xiàn)。其包括數(shù)據(jù)庫訪問模塊、業(yè)務(wù)邏輯處理模塊、圖形模塊、歷史數(shù)據(jù)顯示模塊、曲線顯示模塊、實時數(shù)據(jù)顯示模塊以及各類數(shù)據(jù)查詢顯示模塊、報表分析模塊等。軟件平臺具有實時、準(zhǔn)確、高效的特點，能為煤礦提供及時、準(zhǔn)確的來壓預(yù)警、頂板災(zāi)害狀態(tài)評估等服務(wù)。

3　現(xiàn)場應(yīng)用分析

為驗證系統(tǒng)的可靠性，在山西某煤礦井下綜采工作面現(xiàn)場進(jìn)行安裝試驗。巷道長度約為2 000 m，每隔50 m安裝1臺頂板離層，傳感器總數(shù)為40個,分別對監(jiān)測點的深基點變化量、淺基點變化量監(jiān)測。自2017年1月至今，系統(tǒng)穩(wěn)定運行?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果證明，基于SmartMesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的頂板離層監(jiān)測系統(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)測需要。

4　結(jié)束語

基于SmartMesh鏈狀無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)，無需由本安電源供電的中繼器進(jìn)行信號中繼，具備全網(wǎng)休眠、信號中繼、超低功耗的特點，解決了目前監(jiān)測系統(tǒng)存在的可靠性、實用性差的問題?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了真正意義上的頂板離層無線監(jiān)測。

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