無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦山微震定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

薛強(qiáng)1,葉明2,范君菲3

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 河北 石家莊050043; 2.河北省科學(xué)技術(shù)館, 河北 石家莊050000;

3.北京鐵路局 石家莊職工培訓(xùn)基地, 河北 石家莊050000)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)礦山定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中有線方式成本高、資源浪費(fèi)、可操作性差等問(wèn)題，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于礦山微震定位。通訊系統(tǒng)采用由末端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星形無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用時(shí)鐘同步技術(shù)，末端節(jié)點(diǎn)將礦震信號(hào)通過(guò)射頻模塊上傳給中心節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)上位機(jī)完成對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。該系統(tǒng)為無(wú)線通信在礦山越界開(kāi)采監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字信號(hào)處理；無(wú)線通信；時(shí)鐘同步

中圖分類號(hào)：TN98文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：2014-01-15責(zé)任編輯:劉憲福DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2015.02.20

作者簡(jiǎn)介：薛強(qiáng)(1977-),男, 講師，研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理與模式識(shí)別,電能質(zhì)量測(cè)量。E-mail: xueq77@163.com

基金項(xiàng)目：河北省國(guó)土資源廳項(xiàng)目(200903)

薛強(qiáng)，葉明，范君菲. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦山微震定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,28(2):102-105.

0引言

越界開(kāi)采行為是當(dāng)前我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)采中普遍存在的“頑疾”。執(zhí)法部門(mén)應(yīng)加大對(duì)越界開(kāi)采違法行為的打擊力度，維護(hù)礦產(chǎn)資源開(kāi)采秩序，并依法處罰違法主體。在采用炮采開(kāi)礦的礦山中，利用礦山開(kāi)采時(shí)所產(chǎn)生的微震信號(hào)對(duì)震源進(jìn)行定位，是執(zhí)法部門(mén)獲取越界開(kāi)采證據(jù)的重要手段。但是，目前很多研究中大型礦山的監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)采用有線傳感器方式采集礦山震動(dòng)信號(hào)[1-2]，這種有線方式降低了監(jiān)測(cè)的實(shí)效性和可操作性，同時(shí)又加大了人力和財(cái)力的投入。

針對(duì)傳統(tǒng)礦山礦震事件監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，以無(wú)線通訊為核心技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適合于野外無(wú)人值守的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將之應(yīng)用于礦山越界開(kāi)采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和中心站組成，傳感器節(jié)點(diǎn)利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)不間斷供電，采集震動(dòng)信號(hào)波形及震動(dòng)波頭到時(shí)參數(shù)，通過(guò)無(wú)線射頻模塊上傳至中心站，位于中心站的上位機(jī)將結(jié)合接收到的各通道波形以及時(shí)間參數(shù)通過(guò)已有的定位算法計(jì)算得到礦山開(kāi)采爆破震源的準(zhǔn)確位置。該系統(tǒng)主要針對(duì)礦山越界開(kāi)采監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)，并已將之成功應(yīng)用于礦山越界開(kāi)采在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中；另外，系統(tǒng)所采用的太陽(yáng)能供電方案以及無(wú)線通訊數(shù)據(jù)傳輸方式亦可應(yīng)用于其它無(wú)人值守野外監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)，硬件結(jié)構(gòu)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)兩部分構(gòu)成。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要為Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)和以nRF905芯片為核心部件的射頻模塊RFC-30H。C8051F020單片機(jī)采用低功耗設(shè)計(jì)，25MIPS高速流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌8通道的12位可編程增益放大器ADC，64K系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器，4 352Byte片內(nèi)RAM。nRF905射頻模塊RFC-30H工作于433MHz開(kāi)放的ISM頻段，工作電壓為1.9~3.6V。系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能電池供電，外部擴(kuò)展了多路ADC輸入口、前置信號(hào)調(diào)理模塊、電源管理模塊、時(shí)鐘模塊；中心站則包括了GPS授時(shí)模塊、異步串行接口以及震源定位上位機(jī)系統(tǒng)等。

圖1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖

2同步管理機(jī)制

絕大多數(shù)的震源定位算法是根據(jù)精確提取的震動(dòng)波到時(shí)來(lái)計(jì)算的，震動(dòng)波到時(shí)時(shí)間標(biāo)識(shí)是記錄震動(dòng)事件的關(guān)鍵參數(shù)，時(shí)間精度直接影響震源定位精度，如何保證多路信號(hào)的同步則是系統(tǒng)的必須考慮的問(wèn)題之一。與此同時(shí)，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是完整獨(dú)立的小系統(tǒng)，采用了相互獨(dú)立的數(shù)字時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生采樣控制信號(hào)，而產(chǎn)生時(shí)鐘頻率的晶體易受外界環(huán)境溫度、激勵(lì)電平及晶體老化等多種不穩(wěn)定因素的影響，使得晶體本身的時(shí)鐘脈沖存在著不可避免的誤差，從而造成不同節(jié)點(diǎn)同步測(cè)量數(shù)據(jù)的不同步。針對(duì)以上兩點(diǎn)，本文提出將GPS結(jié)合無(wú)線電方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步的管理機(jī)制[3]。

(1)中心站GPS授時(shí)系統(tǒng)。中心站的授時(shí)系統(tǒng)使用了兩種類型的GPS時(shí)鐘信號(hào)輸出，分別是RS-232輸出和1pps電平信號(hào)輸出。一是RS-232輸出，提取的時(shí)間信息與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)的同步誤差不超過(guò)1ms；二是1pps電平信號(hào)，秒脈沖的上升沿對(duì)應(yīng)輸出的UTC時(shí)間，如圖2所示。將UTC和1pps相結(jié)合能夠得到準(zhǔn)確的時(shí)間信息，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用。

GR87OEM板的串口1是異步串行數(shù)據(jù)輸出，串口配置電平為RS-232電平，為了匹配C8051F020單片機(jī)I/O口的TTL電平，需要先經(jīng)過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行通信，如圖3所示。

秒脈沖電平信號(hào)直接連接C8051F的I/O口，通過(guò)1pps的上升沿觸發(fā)單片機(jī)提取$GPRMC語(yǔ)句，得到精準(zhǔn)的UTC時(shí)間，實(shí)現(xiàn)中心站的GPS精確授時(shí)。

(2)采集終端的時(shí)鐘校準(zhǔn)。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)裝有本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8583定期的接收中心站發(fā)送過(guò)來(lái)的UTC時(shí)間信息，校準(zhǔn)終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘與接收到UTC時(shí)刻一致，最終實(shí)現(xiàn)以中心站的GPS時(shí)間為基準(zhǔn)的全網(wǎng)時(shí)鐘同步。

圖2　1 pps與UTC時(shí)間關(guān)系圖　　　　　　　　　　圖3　GPS與C8051F連接示意圖

3無(wú)線通信設(shè)計(jì)

在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中，對(duì)數(shù)據(jù)必須進(jìn)行規(guī)定格式的編碼才能有效的降低傳輸過(guò)程中的誤碼率。RFC-30H模塊數(shù)據(jù)傳輸格式為依次由前導(dǎo)碼、目標(biāo)地址碼、數(shù)據(jù)碼、CRC校驗(yàn)碼構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)碼長(zhǎng)度可以自行設(shè)置，最大設(shè)置為32 字節(jié)。在最長(zhǎng)32 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)中，為了完成系統(tǒng)的多項(xiàng)功能，將第一個(gè)字節(jié)設(shè)置為命令碼，用于區(qū)分不同的功能命令，第二個(gè)字節(jié)為發(fā)送方地址碼，在這里主站地址碼設(shè)置為0，從站地址碼設(shè)置為從1開(kāi)始，依次加1，第三個(gè)字節(jié)開(kāi)始依次為有效數(shù)據(jù)。

圖4　nRF905數(shù)據(jù)發(fā)送接收流程圖

數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖4(a)所示，nRF905通過(guò)ShockBurstTX模式發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)前禁止外部中斷。發(fā)送數(shù)據(jù)流程為：首先將TRX_CE引腳置低，進(jìn)入待機(jī)模式后，低速寫(xiě)入接收節(jié)點(diǎn)地址和待發(fā)送數(shù)據(jù)；然后再將TRX_CE引腳置高、TX_EN引腳置低，使其進(jìn)入發(fā)送模式，待整個(gè)數(shù)據(jù)包高速發(fā)送出去后，DR引腳自動(dòng)置位。nRF905采用ShockBurstRX模式進(jìn)行數(shù)據(jù)接受，此時(shí)，使能外部中斷，設(shè)置P3.7引腳工作在中斷方式。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖4(b)所示。接收數(shù)據(jù)流程為：首先配置本機(jī)地址，然后將TRX_CE和TX_EN引腳都置高，nRF905進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)的到來(lái)[4]。當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包后，DR腳自動(dòng)置位，觸發(fā)P3.7口的上升沿中斷，并通知MCU讀取數(shù)據(jù)；讀取數(shù)據(jù)完畢后，nRF905將DR引腳置低。

基于本系統(tǒng)的分布式特點(diǎn)，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)中心站進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)有可能在某一時(shí)刻同時(shí)和中心站主機(jī)建立通信連接，如果沒(méi)有合適的協(xié)調(diào)機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致通信沖突，信道阻塞，丟失傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過(guò)采用基于競(jìng)爭(zhēng)方式的MAC協(xié)議[5]，不僅提高了信道資源的利用率，又增加了通信的可靠性。工作流程如下所述：

(1)子站有數(shù)據(jù)送出前，先偵聽(tīng)信道狀態(tài)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式獲得信道的使用權(quán)，然后再發(fā)送請(qǐng)求傳送報(bào)文RTS(RequesttoSend)給目標(biāo)端，請(qǐng)求與目標(biāo)段的通信連接。

(2)目標(biāo)段接收到子站的RTS后，向該子站回應(yīng)CTS(CleartoSend)報(bào)文。

(3)接收到目標(biāo)端CTS命令幀的子站，可以認(rèn)為與目標(biāo)端已經(jīng)建立通信連接，開(kāi)始向其發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)；若子站沒(méi)有收到目標(biāo)端的CTS命令，則認(rèn)為發(fā)生沖突，重新發(fā)送RTS請(qǐng)求。

(4)目標(biāo)端收到子站傳送的數(shù)據(jù)并確認(rèn)數(shù)據(jù)正確后，向改子站發(fā)送ACK確認(rèn)幀，子站收到ACK后則完成與目標(biāo)端的數(shù)據(jù)通信。

利用RTS-CTS握手(handshake)程序來(lái)確保各個(gè)子站傳送數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)相互沖突， 同時(shí)由于RTS-CTS封包都很小，讓傳送的無(wú)效開(kāi)銷也變小。

為了減小能量的消耗，系統(tǒng)采用“偵聽(tīng)/睡眠”交替的無(wú)線信道使用方法。當(dāng)閾值觸發(fā)有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟nRF905無(wú)線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和偵聽(tīng)；在沒(méi)有數(shù)據(jù)需要收發(fā)時(shí)，節(jié)點(diǎn)則控制nRF905無(wú)線通信模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以減小空閑偵聽(tīng)所造成的能量消耗。

4應(yīng)用結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

上位機(jī)由PC構(gòu)成，運(yùn)行礦山微震定位系統(tǒng)應(yīng)用程序，通過(guò)232串口與中心節(jié)點(diǎn)連接。由中心節(jié)點(diǎn)無(wú)線射頻模塊接收各傳感器節(jié)點(diǎn)的微震信號(hào)，用于定位系統(tǒng)進(jìn)行震源定位，以輔助監(jiān)管部門(mén)的執(zhí)法職能。上位機(jī)應(yīng)用程序以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用結(jié)合了幾何定位算法和Geiger算法的聯(lián)合定位法實(shí)現(xiàn)了震源定位[6]，由于篇幅所限，這里不再詳細(xì)介紹震源定位系統(tǒng)，只將無(wú)線采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用于該定位系統(tǒng)，用以檢測(cè)無(wú)線采集系統(tǒng)的可用性。圖5是中心站PC運(yùn)行的震源定位系統(tǒng)軟件界面，其信號(hào)為本文無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的波形，界面中給出了信號(hào)波形、傳感器坐標(biāo)、和利用震源定位算法得到的定位結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采樣頻率設(shè)置為5kHz，每幀采樣長(zhǎng)度為512個(gè)點(diǎn)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用扇形布設(shè)在放炮點(diǎn)附近，地表水平布設(shè)如圖6所示，其中點(diǎn)1~6為檢波器布設(shè)點(diǎn)，其地表水平面坐標(biāo)依次為(0，0)、(0，15)、(0，40)、(-14，0)、(-31，0)、(-7，7.5)，單位：m。

試驗(yàn)中實(shí)際放炮點(diǎn)的水平坐標(biāo)位置如圖6中點(diǎn)Ⅰ、點(diǎn)Ⅱ和點(diǎn)Ⅲ所示，位于傳感器網(wǎng)絡(luò)附近，圖5中顯示數(shù)據(jù)為針對(duì)于炮點(diǎn)Ⅰ的計(jì)算結(jié)果，其計(jì)算坐標(biāo)為(-9.15，-5.57)，與實(shí)際炮點(diǎn)坐標(biāo)(-8.5，-5)距離為0.86m。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行震源定位計(jì)算，其定位精度在1m以內(nèi)，能夠滿足越界開(kāi)采定位系統(tǒng)項(xiàng)目要求。

圖5　定位結(jié)果　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　檢波器排布規(guī)則

5結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的有線式微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于礦山越界開(kāi)采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，采用這種方式所得到的震源位置，其精度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。該方式提高了監(jiān)測(cè)的實(shí)效性和可操作性，降低了人力和財(cái)力的投入，尤其適用于無(wú)人值守野外監(jiān)測(cè)；同時(shí)本文所涉及到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸及在線分析、GPS時(shí)鐘校時(shí)、太陽(yáng)能不間斷供電等措施亦適用于無(wú)人值守的監(jiān)測(cè)方案，為多個(gè)礦區(qū)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提供了現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)，也為類似越界開(kāi)采等野外作業(yè)的監(jiān)測(cè)提供了有效手段。

參考文獻(xiàn)

[1]李庶林,尹賢剛,鄭文達(dá)，等.凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(12):2048-2053.

[2]汪令輝.微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在冬瓜山銅礦的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009,12(12):102-103.

[3]譚朋柳,金海,張明虎.分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的集中式相對(duì)時(shí)鐘同步方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,35(2):16-18.

[4]王軍.地震測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸與監(jiān)控系統(tǒng)[D].武漢:華中科技大學(xué)電子與信息工程系,2005.

[5]聶光義.點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多任務(wù)無(wú)線通信[J].電子質(zhì)量,2003(4):152-154.

[6]薛強(qiáng).震源定位系統(tǒng)在礦山越界開(kāi)采監(jiān)控中的應(yīng)用研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,2011.

ApplicationofWirelessSensorNetworksinMineMicro-vibrationLocationSystem

XueQiang1,Ye Ming2,Fan Junfei3

(1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China;

2.HebeiScienceandTechnologyMuseum,Shijiazhuang050000,China;

3.ShijiazhuangTrainingBase,BeijingRailwayBureau,Shijiazhuang050000,China)

Abstract:In view of the high cost, resources waste and poor maneuverability in cable methods in mine monitoring system, by application of wireless sensor networks, a system of mine micro-vibration location is built in this paper. The star wireless sensor network is made up of the end network nodes and the center network node. In order to achieve the purpose of synchronization acquisition, clock synchronization technology was adopted. The signal was transmitted to the center node through the RF module and was processed by the PC. This system is an application research on radio communication in Cross-border mining monitoring.

Keywords:wirelesssensornetwork;digitalsignalprocessing;radiocommunication;clocksynchronization