采用SmartMesh網(wǎng)絡(luò)的頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guò)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(cè)系統(tǒng)大部分是通過(guò)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(wèn)題。隨著煤礦采煤工作面的不斷變更，有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如不能靈活調(diào)整、擴(kuò)展，將造成資源浪費(fèi)[2-3]。無(wú)線監(jiān)測(cè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)休眠和工作電流大，縮短了傳感器的電池備用時(shí)間，增加了系統(tǒng)維護(hù)工作量[4-5]。基于此，設(shè)計(jì)了一種基于SmartMesh鏈狀無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的低功耗無(wú)線頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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

1.1　網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

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(wú)線自組網(wǎng)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)由管理器和節(jié)點(diǎn)組成。1個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，只有1個(gè)管理器和最多100個(gè)節(jié)點(diǎn)[6]。管理器和節(jié)點(diǎn)通信具有節(jié)點(diǎn)主動(dòng)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(diǎn)數(shù)據(jù)，不能休眠。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)自動(dòng)選擇可通信范圍內(nèi)的3個(gè)最優(yōu)鏈路的上游節(jié)點(diǎn)作為中繼父節(jié)點(diǎn)，并每隔一段時(shí)間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行1次動(dòng)態(tài)優(yōu)化。數(shù)據(jù)上傳時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)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(diǎn)故障時(shí)，系統(tǒng)仍能保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)[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(hào)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(duì)頂板離層位移狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，安裝間隔一般為50 m。信號(hào)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(guò)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(guò)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(guò)解析后，得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頂板位移數(shù)據(jù)，并且繪制實(shí)時(shí)曲線圖。系統(tǒng)可查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)，并具有報(bào)表打印等功能。無(wú)線頂板離層監(jiān)測(cè)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(jì)過(guò)程

2.1　傳感器設(shè)計(jì)

2.1.1傳感器硬件設(shè)計(jì)

傳感器安裝于井下巷道頂板，對(duì)頂板淺基點(diǎn)及深基點(diǎn)的位移參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至信號(hào)轉(zhuǎn)換器。巷道頂板離層發(fā)生變化時(shí)，帶動(dòng)深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)的探頭變化，從而導(dǎo)致磁敏角度傳感器發(fā)生電壓信號(hào)變化。微控制單元(micro controller unit,MCU)通過(guò)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(shí)間超過(guò)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(diǎn)，非常適用于低功耗系統(tǒng)。

傳感器硬件采用分區(qū)、分時(shí)供電設(shè)計(jì)，軟件采用休眠控制方式實(shí)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(kāi)關(guān)關(guān)閉，MCU進(jìn)入休眠并每隔一段時(shí)間自動(dòng)喚醒進(jìn)行采集、發(fā)送數(shù)據(jù)；2#電源開(kāi)關(guān)用于控制無(wú)線通信單元的供電，當(dāng)傳感器長(zhǎng)時(shí)間找不到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，MCU控制2#電源開(kāi)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(guò)紅外遙控器和數(shù)碼管顯示單元對(duì)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(shí)，光感電路感受到光強(qiáng)度變化，向MCU發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。MCU控制數(shù)碼管顯示配置信息和實(shí)時(shí)采集位移值。

2.1.2傳感器軟件設(shè)計(jì)

傳感器軟件主要實(shí)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(duì)通用異步收發(fā)傳輸器(universal asychronous receiver/transmitter,UART)、ADC、定時(shí)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(guò)UART接口與無(wú)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(wú)線模塊的工作模式并向無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)申請(qǐng)命令字，向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)。ADC根據(jù)MCU內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘(real time clock,RTC)每小時(shí)采集1次。采集電壓信號(hào)后，根據(jù)函數(shù)公式計(jì)算出位移數(shù)據(jù),然后根據(jù)組網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)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(guò)RTC定時(shí)器自動(dòng)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(chǔ)到FLASH中，組網(wǎng)成功后再將數(shù)據(jù)通過(guò)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(qiáng)制喚醒，操作完成后MCU自動(dòng)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(hào)采集器設(shè)計(jì)

2.2.1信號(hào)采集器硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)并對(duì)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(guò)RS-485上傳到交換機(jī)環(huán)網(wǎng)。采集器主要由MCU、無(wú)線管理節(jié)點(diǎn)、RS-485通信模塊、看門(mén)狗電路、聲光報(bào)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(guò)系統(tǒng)地面中心站用軟件進(jìn)行設(shè)置外，還可以通過(guò)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(dòng)初始化設(shè)置并保存，無(wú)須打開(kāi)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(guò)具有硬件流控制的UART接口與無(wú)線管理節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)半雙工通信，控制無(wú)線管理節(jié)點(diǎn)管理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行LCD顯示、超限報(bào)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(tái)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(chǔ)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(mén)狗自動(dòng)復(fù)位電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)集器內(nèi)主板的電源及程序運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)電源電壓過(guò)低或因意外造成分站程序跑飛時(shí)，及時(shí)向控制系統(tǒng)輸出復(fù)位信號(hào)使之自動(dòng)復(fù)位，以恢復(fù)正常工作。信號(hào)采集器硬件框圖如圖4所示。

圖4　信號(hào)采集器硬件框圖

2.2.2信號(hào)采集器軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)采集器軟件流程如圖5所示。

圖5　信號(hào)采集器軟件流程圖

采集器上電后，首先初始化MCU的UART、定時(shí)器等功能模塊，讀取鐵電存儲(chǔ)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(wú)線模塊與MCU通過(guò)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(duì)Manager進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)ID、上報(bào)信息類(lèi)型等配置；然后，發(fā)送組建網(wǎng)絡(luò)命令，控制Manager組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，等待可通信區(qū)域內(nèi)的傳感器加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)組建完成后，Manager可對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器發(fā)送信息，也可接收來(lái)自傳感器內(nèi)無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)；然后，Manager通過(guò)UART發(fā)送數(shù)據(jù)到MCU進(jìn)行分析處理，并在LCD實(shí)時(shí)顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)要求多個(gè)傳感器在同一時(shí)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(jì)

中心站軟件通過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)解析可實(shí)時(shí)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(shí)完成離層日?qǐng)?bào)表查詢(xún)和打印，以及根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)警。軟件平臺(tái)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(guò)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(lèi)分析模型，對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)分析；必要時(shí)，還可以集中研究平臺(tái)端的分析過(guò)程，出具分析報(bào)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(gè)系統(tǒng)的核心，由Active MQ服務(wù)器、平臺(tái)分析程序、數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)數(shù)據(jù)包分類(lèi)、解析，并將原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；然后，對(duì)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(kù)供Web終端查詢(xún)使用。展示層是系統(tǒng)與用戶(hù)的交互層，以B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其包括數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊以及各類(lèi)數(shù)據(jù)查詢(xún)顯示模塊、報(bào)表分析模塊等。軟件平臺(tái)具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)，能為煤礦提供及時(shí)、準(zhǔn)確的來(lái)壓預(yù)警、頂板災(zāi)害狀態(tài)評(píng)估等服務(wù)。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，在山西某煤礦井下綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝試驗(yàn)。巷道長(zhǎng)度約為2 000 m，每隔50 m安裝1臺(tái)頂板離層，傳感器總數(shù)為40個(gè),分別對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的深基點(diǎn)變化量、淺基點(diǎn)變化量監(jiān)測(cè)。自2017年1月至今，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，基于SmartMesh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(wú)線傳輸穩(wěn)定，滿(mǎn)足煤礦巷道頂板位移的監(jiān)測(cè)需要。

4　結(jié)束語(yǔ)

基于SmartMesh鏈狀無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)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(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的頂板離層無(wú)線監(jiān)測(cè)。

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