無線傳感器網絡在礦壓監測系統的研究及應用

朱書梅 薄一龍

1 技術方案

1.1 無線礦壓監測系統結構的設計

對傳感器技術、嵌入式技術、分布式信息處理技術、無線通訊技術、網絡安全技術等一系列先進技術進行了研究，設計出通用的軟硬件體系模型（見圖1）。

圖1 礦用無線監測系統結構模型

根據圖1 表示的礦用無線監測系統結構模型，依照GB 3836-2006《爆炸性氣體環境用電氣設備》，結合礦井支架的具體要求，設計了無線礦壓監測系統（見圖2）。

圖2 無線礦壓監測系統

如圖2 所示，各個無線礦壓采集節點和無線網關之間形成一個自組織的網絡，無線礦壓采集節點采用電池供電，無線網關采用穩壓12 V 電源供電，通過CAN 總線實現地面數據監視和處理部分與井下設備通信。

1.2 無線礦壓采集節點的設計

無線傳感器節點是無線傳感網絡的組成單元，可以看作是一種非常小型的計算機，一般由4 個部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。無線傳感器網絡可以在任何時刻、任何地點，不需要任何現有基礎網絡設施，包括有線和無線設施支持的條件下，快速構建起一個移動通信網絡。網絡的運行維護管理等完全在網絡內部實現。網絡還需要一些基站來建立傳感器網絡與外界的聯系，但各傳感器節點構成的網絡依然是一個自組織的無中心的無線網絡。

1.3 無線網關設計

無線網關的功能是建立和各采集節點的通信路由并保持通信，與上位機通信將各節點采集數據上傳，同時上位機可以通過網關向各個采集節點發送命令。其硬件部分和節點設計基本相同。

1.4 上位機通信與數據分析處理軟件

整個上位機監控系統主要由數據采集、數據處理、數據存儲3 大部分組成。數據庫管理服務器包括數據庫服務器和數據庫。數據庫服務器負責各個模塊與數據庫之間的交互，使數據庫對其他模塊透明。數據庫用來存儲數據。數據處理服務器負責將接收上來的數據進行解析，然后將其送往系統管理服務器。系統管理服務器主要負責與用戶交互，使用戶能根據需要配置整個系統，按需求顯示監控數據，查詢歷史數據等。

2 創新成果

2.1 無線礦壓采集節點的研制

成功研制了基于ZigBee 技術和低功耗技術的無線礦壓采集節點。該節點安裝在液壓支架上，通過液壓油管與液壓支架前后柱連接，自主不間斷采集液壓支架壓力數據，通過無線通信的方式將數據發送至中繼無線網關。該無線礦壓采集節點最大功耗僅為132 mW，無線橋接距離可達80 m～100 m。無線礦壓采集節點具備自組網功能，可自動規避故障、阻塞和自適應路由，優化帶寬。無線礦壓采集節點具備數據存儲功能，當總線故障時，無線礦壓采集節點可以繼續監測礦壓數據并存儲，當總線恢復時，數據可以補充上傳。

2.2 節點間的路由協議的研究

針對煤礦無線通信環境，開發了獨特的基于最小跳數的能量自適應路由算法。該路由算法的關鍵思想是利用到sink 節點的最小跳數和路徑節點最小剩余能量作為路由選擇度量來完成信息包的轉發。

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傳感節點發送信息時，首先搜索本節點的下一跳可用節點集，從中選擇路徑節點最小剩余能量最大的節點進行轉發，下跳節點接收到該信息后作同樣的處理，直至發送到目的節點為止。

通過綜合監測分析當前網絡跳數、帶寬+時延、信號強度、鏈路質量，實現網絡路由路徑的自動優化、點到點、點到網關最佳路徑自動選擇，自動規避阻塞和故障。

2.3 無線網關的研制

成功研制了基于ZigBee 技術和CAN2.0 協議的無線中繼網關。無線網關的功能是建立和各采集節點的通信路由并保持通信，與上位機通信將各節點采集數據上傳，同時上位機可以通過網關向各個采集節點發送命令。

2.4 上位機軟件的開發設計

成功研制了基于ZigBee 技術和CAN2.0 協議無線通信上位機數據分析與處理軟件。軟件通過采集從數據基站上傳的原始數據，解析成應用數據后存入數據庫中，同時可以實時監控各節點及基站的通信、路由、數據等狀態。

通過以上設備及軟件的研制和開發，建立了一套基于ZigBee 技術和CAN2.0 協議的礦井無線壓力監測系統。該系統主要由上位機數據分析與處理軟件、地面監控主機、地面傳輸接口、無線網關、無線礦壓采集節點等礦壓監測儀器、井下隔爆兼本安電源及其他配套設備組成。

3 實施效果

該系統在井下綜采工作面試驗后結果如下。

3.1 實時顯示功能

實驗期間，無線壓力分站的液晶顯示屏上能夠實時顯示支架左、右立柱的實時壓力，未出現故障現象。

3.2 數據采集方式

無線壓力分站采用定壓采樣模式，即無線壓力分站內部單片機每隔2 s 巡檢一次壓力數據，當支架壓力變化超過1 MPa（可調）時，記錄一次數據。經對實測數據的檢驗，定壓采樣模式工作正常，實測數據最短時間間隔為2 s。

3.3 無線傳輸距離

通過調換工作面測點位置，以檢測無線壓力分站及礦用本安型監測基站的傳輸距離。測試結果表明，無線壓力分站間無線傳輸距離最大可達40 m，無線壓力分站與監測基站間的最大傳輸距離可達100 m。

3.4 自組織網絡功能

在系統正常工作狀態下，通過斷開1 臺無線壓力分站，以檢測系統其余所有無線壓力分站是否能夠正常工作。共試驗3 次，系統均能正常工作。

3.5 初撐力及末阻力分析功能

以44 號液壓支架后柱實測數據為例，采用KJ21礦壓監測系統軟件分析支架的初撐力及末阻力，以檢測支架初撐力的合格情況，分析結果見圖3。

通過地面軟件能夠分析支架初撐力、末阻力、頂板來壓情況及支架與地質條件的適應性，根據總結得到的礦壓規律能夠預測、預報頂板來壓，便于提前采取措施，保障工作面頂板安全。

本系統所采用的無線傳輸技術可擴展至對煤礦井下瓦斯、一氧化碳、溫度、風速、風量等環境參數的實時監測。成功研制的無線礦壓監測系統功耗低、性能可靠、數據處理效率高，安裝、使用方便，能夠滿足井下支架壓力實時監測的需要，也是實施礦井安全監測監控的一種新興技術途徑。