趙陽羲，姬勝凱，李 斌，楊志明，陳俊凱

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

我國煤礦自上世紀70年引入綜合機械化采煤技術(簡稱“綜采技術”)[1]，煤礦開采效率顯著提高，為經(jīng)濟的高速發(fā)展提供了充足的能源供應，同時經(jīng)過各煤礦科研院所、煤礦企業(yè)單位50余年的不斷探索、創(chuàng)新應用、持續(xù)發(fā)展，取得一系列矚目的成果，形成針對不同煤層條件下綜放開采技術與成套裝備，綜放開采技術已經(jīng)成為我國開采厚煤層的主要方法，也是我國在世界煤炭開采行業(yè)的標志性技術[2]。

綜采的主要裝備包括采煤機、液壓支架、端頭支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、順槽膠帶輸送機等。液壓支架是煤礦開采工作中的重要設備[3]，起到支撐頂板，保護采煤機、刮板輸送機和采煤工作面工人安全作用。液壓支架由金屬構件和若干液壓元件組成，以高壓液體作為動力，能實現(xiàn)支撐、切頂、自移和推移刮板輸送機等功能。液壓支架對煤礦綜采工作面的安全生產(chǎn)起著至關重要的作用，是采煤工作面實現(xiàn)高產(chǎn)高效的關鍵設備[4]，通過監(jiān)測液壓支架壓力變化規(guī)律分析，得到液壓支架工作初撐力、末阻力[5]、安全閥開啟率、頂板周期來壓[6]、推進度等重要信息，再對整個工作面液壓支架的壓力數(shù)據(jù)進行分析，可得出整個采煤工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，液壓支架的工作狀態(tài)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律設定液壓支架的一個循環(huán)為從液壓支架的初撐力到末阻力的時間段[7]，為煤礦安全提供技術保障。礦山壓力顯現(xiàn)是由覆巖的運動引起的，隨著煤炭的不斷開采，地下原有的應力狀態(tài)被打破[8]，另外對不同地域、不同煤層條件下液壓支架的壓力數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，也可為新建礦井的液壓支架選型提供數(shù)據(jù)支撐。目前主要應用的無線煤礦壓力監(jiān)測系統(tǒng)壓力傳感器通常使用無線射頻信號，不具備自組網(wǎng)能力，在煤礦復雜環(huán)境中個別無線傳感節(jié)點異常，會影響節(jié)點后無線傳感數(shù)據(jù)傳輸。同時為了降低傳感功耗，傳感器通常設計為固定間隔(3～5 min)上傳1次數(shù)據(jù)，壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性和完整性差。

本文介紹一種基于無線Mesh自組網(wǎng)煤礦用液壓支架壓力傳感器，以下簡稱“支架壓力傳感器”，著力于解決煤礦環(huán)境無線組網(wǎng)困難、通信距離短[9-10]、傳感器功耗高需要經(jīng)常更換電池等問題。本文設計的支架壓力傳感器選用的無線通信模塊是基于LoRa技術設計的，中心頻率這433 MHz，發(fā)射功率可達22 dBm，實測空曠條件下通信距離超過700 m@36.5 kb/s，無線模塊內(nèi)置WaveMesh2.0無線自組網(wǎng)協(xié)議。無線模塊間自動組成無線Mesh網(wǎng)絡，支架壓力傳感器利用該網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，有效避免個別傳感器異常而導致其后面?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)傳輸失敗，將無線模塊的喚醒機制(同步休眠與異步休眠)和STM32L412的低功耗模式結合，降低支架壓力傳感器功耗，提高設備使用壽命，降低現(xiàn)場維護難度。

1 概述

礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)包括井上、井下兩個部分[11]。支架壓力傳感器是井下監(jiān)測液壓支架的重要設備，是礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)的核心終端設備之一，支架壓力傳感器負責采集處理、存儲顯示液壓支架數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過分站和井下環(huán)網(wǎng)最終接入地面礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)負責對整個工作面的支架壓力傳感器壓力數(shù)據(jù)匯總分析，為煤礦安全穩(wěn)定開采提供服務。礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 無線礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

煤礦液壓支架布置在煤礦采煤工作面，礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測分站安裝在設備列車上，支架壓力傳感器每間隔5～10架安裝在相應液壓支架上?，F(xiàn)場布置關系如圖2所示，監(jiān)測分站布置在回采工作面，遠端傳感器數(shù)據(jù)無法直傳至監(jiān)測分站，需要通過無線網(wǎng)絡中繼數(shù)據(jù)，因此中間位置支架壓力傳感器采集本處數(shù)據(jù)同時也承擔中繼后端傳感數(shù)據(jù)的作用，支架壓力傳感器的無線模塊自行組成無線Mesh網(wǎng)絡，傳感數(shù)據(jù)選擇網(wǎng)絡最優(yōu)路徑傳輸，可跳過異常節(jié)點，提高整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸可靠性，避免個別節(jié)點異常導致網(wǎng)絡失效。

圖2 支架壓力傳感器布置示意圖

設備無線通信模塊內(nèi)嵌WaveMesh2.0無線自組網(wǎng)協(xié)議。WaveMech[12]是一種簡單、可靠的無線移動自組網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議，具有低功耗、低成本特點，其網(wǎng)絡拓撲見圖3。設計中無線通信模組型號為WM6505，內(nèi)置第二代LoRa調(diào)制芯片SX1262，最高發(fā)射功率可達22 dBm，LoRa具有可靠的穩(wěn)定性、安全性及抗干擾性，實測無線模組通信速率為36.5 kb/s，通信距離超過700 m。

圖3 WaveMesh網(wǎng)絡拓撲結構

2 硬件設計

2.1 硬件結構設計

支架壓力傳感器以STM32L412單片機為核心微控制器，整體結構框圖如圖4所示，分為核心微控制器、信號采集、電源輸入、通信模塊、顯示模塊、外部喚醒、存儲模塊七部分[13]。核心微控制器負責數(shù)據(jù)采集處理、顯示、傳輸和存儲，以及任務調(diào)度工作，保障傳感器各項工作正常進行；信號采集電路將壓力信號轉換為電信號，并進行放大后計入微控制器ADC[14]，微控制器按軟件設計完成數(shù)據(jù)采集；通信模塊自動組建無線網(wǎng)絡，微控制器控制數(shù)據(jù)傳輸，通信模塊自主選擇網(wǎng)絡中最優(yōu)路徑，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸；電源輸入模塊負責完成電壓轉換，為傳感器各模塊供電，監(jiān)測原電池電量；外部喚醒由光敏傳感器實現(xiàn)，實現(xiàn)煤礦井下環(huán)境中傳感器喚醒與顯示；顯示模塊實現(xiàn)顯示本機設備編號、當前壓力值功能；存儲模塊負責存儲本地采集處理后的數(shù)據(jù)、時間、電池電量信息，用于數(shù)據(jù)傳遞及歷史數(shù)據(jù)恢復。

圖4 傳感器硬件結構框圖

2.2 主要模塊硬件選型和設計

2.2.1 核心微控制器

核心微控制器是傳感器各項任務調(diào)度，數(shù)據(jù)采集處理、顯示、存儲的執(zhí)行決策者，是傳感器的核心器件。本設計中使用STM32L412芯片，是意法半導體推出的一款高性能超低功耗的微控制器。它基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，具有Standby、Stop和Shutdown三種低功耗模式，在Standby模式和RTC工作時功耗僅為245 nA，在Shutdown模式下功耗為8 nA，支架壓力傳感器設計采用鋰原電池供電，可滿足穩(wěn)定采集傳輸需求，也可滿足低功耗要求。

本設計中STM32L412工作主頻為48 MHz，利用自帶12 bit ADC分時采集電池電量及兩路壓力信號，SPI1接口與鐵電存儲器交互數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲讀取，通過UART接口與通信模塊交互，完成數(shù)據(jù)傳輸，SPI2接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地顯示。

2.2.2 信號采集

支架壓力采集過程見圖5，支架液壓信號經(jīng)過液壓膠管引入到壓力變送器，由壓力變送器轉變?yōu)槟M電信號，模擬電信號經(jīng)過運放電路放大，接入STM32L412控制器ADC接口。壓力變送器選用硅基SOI壓力變送器，該變送器將雙層電阻柵應變計與不銹鋼彈性體相熔合，控制電路采用定值定時采樣模式，保證了數(shù)據(jù)的有效性和連貫性。STM32L412自帶12 bit ADC，通常情況下煤礦液壓支架工作壓力范圍為0～60 MPa，按最大超過量程10%計算，控制器的最小分辨率為66÷4 096≈0.16MPa。

圖5 壓力采集示意圖

2.2.3 通信模塊

通信模塊選用WM6505-049M模塊，該模塊基于第二代LoRa調(diào)制芯片SX1262，內(nèi)嵌WaveMesh2.0無線自組網(wǎng)協(xié)議，是實現(xiàn)無線Mesh網(wǎng)絡的核心部件。WM6505通信模塊供電電壓為3.3 V，最大發(fā)射功率超過22 dBm，實測空中通信速率在36.5 kb/s時通信距離超過700 m。

WM6505-049M模塊具有7個IO引腳，引腳定義見表1。在本設計中通信模塊使用VCC、GND、RXD、TXD、MP0五個引腳，即模塊供電、通信串口及喚醒信號控制口，其中MP0設置為外部喚醒模式。

表1 WM6505模塊引腳定義

通信模塊有兩種工作模式：Root模式和Node模式，監(jiān)測分站設置為Root模式(網(wǎng)關)，傳感器設置為Node模式(節(jié)點)。Root是網(wǎng)絡發(fā)起者，信息收集者，Node是網(wǎng)絡節(jié)點，負責自身數(shù)據(jù)傳輸及后級節(jié)點數(shù)據(jù)的中繼。通信模塊內(nèi)嵌WaveMesh協(xié)議，該協(xié)議采用異步休眠和同步休眠兩種休眠方式實現(xiàn)低功耗，異步休眠時間間隔t1通過配置軟件設置，按t1周期喚醒模塊搜索無線喚醒信號并入網(wǎng)，用于通信模塊入網(wǎng)前或未能進入同步休眠時啟用；同步休眠模式由Root發(fā)起，同步休眠時間t2通過配置軟件設置，Node節(jié)點接收到同步休眠信號后進入休眠，按t2周期喚醒入網(wǎng)。在同步休眠時通信模塊不響應任何信息，包括異步休眠，同步休眠時通信模塊功耗為1.4 μA。

設計中無線Mesh網(wǎng)絡通信流程如圖6所示。監(jiān)測分站采集傳感數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡由監(jiān)測分站發(fā)起(網(wǎng)關)。網(wǎng)關發(fā)起同步喚醒信號，一級節(jié)點(傳感器1)接收到喚醒信號后二級節(jié)點轉發(fā)該信號，上傳本地傳感數(shù)據(jù)；二級節(jié)點接收到一級節(jié)點喚醒信號向下一級轉發(fā)，并向一級節(jié)點上傳傳感數(shù)據(jù)，一級節(jié)點收到二級節(jié)點數(shù)據(jù)后立即向網(wǎng)關轉發(fā)；依次傳遞，直至末端節(jié)點接收到喚醒信號后向上級節(jié)點發(fā)送傳感數(shù)據(jù)，末端節(jié)點傳感數(shù)據(jù)經(jīng)過中間節(jié)點逐級轉發(fā)最終到達網(wǎng)關，網(wǎng)關和所有節(jié)點形成完整的數(shù)據(jù)流。網(wǎng)關設有超時機制，超過規(guī)定間隔無新數(shù)據(jù)到達，網(wǎng)關發(fā)送同步休眠信號，無線網(wǎng)絡各節(jié)點接收到該信號后進入同步休眠狀態(tài)，無線網(wǎng)絡靜默，降低通信模塊功耗。當?shù)竭_采集間隔時間t時，重復上述采集過程。

圖6 無線Mesh網(wǎng)絡通信流程

3 軟件設計

3.1 主程序軟件設計

傳感器軟件設計按功能模塊化設計，包括程序初始化、顯示、按鍵、采集、數(shù)據(jù)存儲、無線通信等幾部分。

主程序軟件設計流程如圖7所示，主要包括：上電程序初始化，配置MCU時鐘、GPIO初始化、串口初始化、ADC初始化、顯示初始化；上電顯示傳感基本信息；傳感周期采樣、光敏觸發(fā)顯示、信息存儲及傳感數(shù)據(jù)無線傳輸。

圖7 主程序軟件設計流程圖

設備采用低功耗設計，上電初始化后完成首次采集、ADC采集及顯示后，進入Standby模式，維持在最低功耗(休眠功耗1.6 μA)。傳感器設計了三種喚醒方式：

(1)RTC定時喚醒。完成定時喚醒采集及數(shù)據(jù)存儲。RTC定時每10 s喚醒一次MCU，采集壓力變送器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)與之前保存值進行比較，若變化超過0.5 MPa，則保存當前值。每30 min自動保存一次采集值。采集結束后自動進入Standby休眠模式。

(2)光敏觸發(fā)喚醒。通過光敏二極管觸發(fā)，強光照射后喚醒MCU顯示傳感當前值及電池電量，便于現(xiàn)場使用維護。為降低傳感器功耗，進入低功耗模式時不顯示，顯示功能僅在上電及光敏觸發(fā)喚醒模式下啟用，光敏觸發(fā)喚醒后，傳感器采集當前傳感值和電池電壓值，在數(shù)碼管上輪流顯示，顯示結束后再次進入Standby休眠模式。

(3)無線通信喚醒。用于無線數(shù)據(jù)傳輸喚醒，將保存采集數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測分站。傳感器上通信模塊(節(jié)點)首先被監(jiān)測分站通信模塊(網(wǎng)關)發(fā)射同步喚醒信號喚醒后，傳感器上通信模塊MP0引腳產(chǎn)生電平變化觸發(fā)喚醒STM32L412，STM32L412進入數(shù)據(jù)發(fā)送程序，從存儲芯片中讀出數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡發(fā)出，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后通信模塊進入同步休眠，STM32L412進入Standby休眠模式。

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件設計

數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖8所示，數(shù)據(jù)采集程序開始后，開啟壓力變送器供電，啟動AD采集，同時采集電池電量和2通道壓力傳感數(shù)據(jù)，檢測電池當前電量Vnow是否低于報警電壓Verror，當Vnow0.5 MPa，即壓力變化超過0.5 MPa時，保存本次采集數(shù)據(jù)，否則退出本次采集。

圖8 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

4 現(xiàn)場應用

實驗室環(huán)境中搭建無線采集系統(tǒng)，包括1套上位機采集系統(tǒng)軟件，1臺分站，20個支架壓力傳感器，采樣間隔設定為3 min，使用Keithley2450源表為傳感器供電，監(jiān)測支架壓力傳感器平均電流，實測平均電流1.1 mA@3 min，電池按3 700 mAh計算，電阻電池工作時間為3 700/1.1≈3 364小時>140天。實驗室測試過程中傳感壓力值無變化，每30 min上傳一次數(shù)據(jù)，7天后實測傳感數(shù)據(jù)條數(shù)：其中18臺設備336條，2臺設備335條，數(shù)據(jù)條數(shù)滿足設計要求。

該支架壓力傳感器已在山西、皖北、淮南、陜西、內(nèi)蒙古地區(qū)礦井中應用，配套礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)使用，調(diào)度員在地面礦山壓力監(jiān)測軟件中查看相應液壓支架壓力值，系統(tǒng)通過分析液壓支架壓力歷史曲線，能夠得出液壓支架安全閥開啟率、工作初撐力、末阻力以及液壓支架保壓、移架情況等[15]。由于支架壓力傳感器同時采集液壓支架兩側壓力信號，液壓支架壓力變化是同步的，變化趨勢及壓力值應基本相同。圖9為陜西某礦71#液壓支架壓力歷史曲線，圖中上半部曲線為6月8日至7月8日71#液壓支架左側支柱歷史曲線變化情況。如圖所示，該側支柱整體支護情況非常好，安全閥開啟值約為41 MPa，支架效果良好，移架過程完整，該支柱工況正常；圖中下半部曲線為6月28日到7月5日71#液壓支架左右兩側壓力歷史曲線，左右兩側支柱壓力變化曲線不同步，右側支柱明顯出現(xiàn)不保壓現(xiàn)象，導致液壓支架左右兩側不平衡，調(diào)度員發(fā)現(xiàn)該情況后及時聯(lián)系支架檢修工現(xiàn)場排查，經(jīng)排查現(xiàn)場高壓膠管有滲漏問題，現(xiàn)場更換膠管后右側支柱數(shù)據(jù)恢復正常，左右兩側支柱變化同步。

圖9 71#液壓支架壓力歷史曲線

現(xiàn)場19臺支架壓力傳感器的平均使用時間(單電池組)為6個月至10個月，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，平均每年更換2次電池組，滿足現(xiàn)場使用需求，降低了現(xiàn)場維護難度。

5 結論

本文設計了基于無線Mesh自組網(wǎng)的煤礦液壓支架壓力傳感器，傳感器間自動組建無線Mesh網(wǎng)絡，傳感數(shù)據(jù)通過無線Mesh網(wǎng)絡傳輸，網(wǎng)絡穩(wěn)定可靠，經(jīng)實驗室和煤礦現(xiàn)場實際應用，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性滿足煤礦企業(yè)現(xiàn)場使用要求；通過傳感器軟件低功耗設計與通信模塊的休眠模式相結合(同步休眠+異步休眠)，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的同時進一步降低傳感器整機功耗，有效延長設備單電池組現(xiàn)場使用時間，降低現(xiàn)場維護難度，現(xiàn)場使用維護。