采用SmartMesh網絡的頂板離層監測系統設計

胡　亮

(中煤科工集團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過程中的安全隱患，嚴重威脅著煤礦的安全生產[1]。現有的巷道頂板離層監測系統大部分是通過有線網絡建立的，存在安裝采煤工作量大、成本高以及維護困難的問題。隨著煤礦采煤工作面的不斷變更，有線監測系統如不能靈活調整、擴展，將造成資源浪費[2-3]。無線監測系統多采用ZigBee和WaveMesh兩種通信網絡。由于ZigBee需要路由節點進行中繼且不能休眠，導致綜采面需要本安電源給路由節點供電，增加了系統故障率、降低了系統可靠性；WaveMesh網絡中節點休眠和工作電流大，縮短了傳感器的電池備用時間，增加了系統維護工作量[4-5]。基于此，設計了一種基于SmartMesh鏈狀無線傳感網絡的低功耗無線頂板離層監測系統。

1　SmartMesh網絡特點及系統結構

1.1　網絡特點

SmartMesh是由Linear公司推出的一款基于6LoWPAN和IEEE 802.15.4e標準的低功耗無線自組網協議。網絡由管理器和節點組成。1個網絡中，只有1個管理器和最多100個節點[6]。管理器和節點通信具有節點主動上傳數據和管理器全網廣播2種模式。管理器負責網絡組建、管理及接收節點數據，不能休眠。節點可休眠，負責數據上傳、中繼，最多支持32次中繼。網絡組建后，節點自動選擇可通信范圍內的3個最優鏈路的上游節點作為中繼父節點，并每隔一段時間根據網絡狀態進行1次動態優化。數據上傳時，節點自動選取最優路徑進行傳輸。因此，當網絡中存在少量節點故障時，系統仍能保證網絡可靠性。節點休眠功耗為1.2 μA，最大發射功率為8 dBm,發射電流為9.7 mA，具有超低功耗的特點[7]。表1為SmartMesh網絡主芯片LTC5800與ZigBee網絡主芯片CC2530、WaveMesh網絡主芯片CC1110N的主要技術參數。

表1　主要技術參數

1.2　系統結構

系統由地面和井下兩部分組成，包括頂板離層傳感器、信號轉換器、網絡交換機和數據處理主機。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進行實時監測，安裝間隔一般為50 m。信號轉換器包含Manager電路，安裝在井下巷道端頭，負責采集網絡中傳感器的頂板位移數據，通過RS-485數據包的格式發送至以太網；地面調度室上位機通過串口服務器虛擬出的串口閱讀數據包中的數據，經過解析后，得出各監測點的頂板位移數據，并且繪制實時曲線圖。系統可查詢歷史數據，并具有報表打印等功能。無線頂板離層監測系統結構如圖1所示。

圖1　系統結構圖

2　設計過程

2.1　傳感器設計

2.1.1傳感器硬件設計

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進行實時監測，并通過無線網絡將數據上傳至信號轉換器。巷道頂板離層發生變化時，帶動深基點和淺基點的探頭變化，從而導致磁敏角度傳感器發生電壓信號變化。微控制單元(micro controller unit,MCU)通過內部12位模數轉換器(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，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。

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

圖2　傳感器硬件框圖

在組網成功狀態下，1#電源開關關閉，MCU進入休眠并每隔一段時間自動喚醒進行采集、發送數據；2#電源開關用于控制無線通信單元的供電，當傳感器長時間找不到網絡時，MCU控制2#電源開關關閉并進入休眠狀態，以降低傳感器功耗。傳感器可通過紅外遙控器和數碼管顯示單元對傳感器進行初始設置。正常狀態下，遙控和數碼管電路不工作。當礦燈照射傳感器顯示窗時，光感電路感受到光強度變化，向MCU發送觸發信號。MCU控制數碼管顯示配置信息和實時采集位移值。

2.1.2傳感器軟件設計

傳感器軟件主要實現初始化、位移量采集轉換、數據發送和低功耗控制功能。首先，MCU對通用異步收發傳輸器(universal asychronous receiver/transmitter,UART)、ADC、定時器等功能模塊進行初始化配置，讀取傳感器的設備地址、網絡ID等配置信息。通過UART接口與無線模塊進行握手通信，確認雙方處于正常工作狀態。然后，MCU設置無線模塊的工作模式并向無線節點發送組網申請命令字，向控制節點發送加入網絡申請。ADC根據MCU內部實時時鐘(real time clock,RTC)每小時采集1次。采集電壓信號后，根據函數公式計算出位移數據,然后根據組網狀態進行存儲或發送。組網狀態下，數據發送完成后，MCU關閉外圍電路電源并進入休眠狀態，1 h后再通過RTC定時器自動喚醒并進行數據采集；未組網狀態下，MCU將數據存儲到FLASH中，組網成功后再將數據通過UART發送到網絡中。光敏和紅外電路硬件連接MCU的外部中斷源，可在MCU休眠狀態下強制喚醒，操作完成后MCU自動恢復到休眠狀態。傳感器軟件流程如圖3所示。

圖3　傳感器軟件流程圖

2.2　信號采集器設計

2.2.1信號采集器硬件設計

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]。其負責組建SmartMesh無線網絡并對網絡中的傳感器進行管理，將頂板位移數據通過RS-485上傳到交換機環網。采集器主要由MCU、無線管理節點、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地面中心站用軟件進行設置外，還可以通過采集器內以紅外接收芯片為核心的遙控電路，使用紅外遙控器進行就地手動初始化設置并保存，無須打開機蓋。設置內容包括通信波特率、網絡ID、本機地址等。

MCU通過具有硬件流控制的UART接口與無線管理節點實現半雙工通信，控制無線管理節點管理無線網絡，對網絡中的頂板離層傳感器進行初始配置、數據采集等操作。MCU將接收到的傳感器數據解析后，對數據進行LCD顯示、超限報警處理并轉換成有線傳輸(RS-485)的數據格式，再借助工業以太網平臺上傳到監控中心。如果交換機與采集器的RS-485通信斷線，采集器將解析的數據存儲到內部的FLASH中，待通信恢復后再進行上傳，保證了數據的連續性。看門狗自動復位電路可實現對集器內主板的電源及程序運行情況的監測。當出現電源電壓過低或因意外造成分站程序跑飛時，及時向控制系統輸出復位信號使之自動復位，以恢復正常工作。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、網絡ID等配置信息，并在LCD進行顯示。Manager無線模塊與MCU通過UART接口進行通信，Manager與MCU首先進行握手通信，確認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進行故障提示。握手成功后，MCU可對Manager進行網絡ID、上報信息類型等配置；然后，發送組建網絡命令，控制Manager組建無線網絡，等待可通信區域內的傳感器加入無線網絡。網絡組建完成后，Manager可對網絡內傳感器發送信息，也可接收來自傳感器內無線模塊的數據；然后，Manager通過UART發送數據到MCU進行分析處理，并在LCD實時顯示傳感器采集的數據。由于系統要求多個傳感器在同一時刻進行數據采集發送，故采用硬件流控制的方法解決Manager與MCU通信存在的數據并發沖突。

2.3　中心站軟件設計

中心站軟件通過交換機環網獲取傳感器采集的頂板位移數據，經過數據解析可實時完成頂板離層變化量和變化速度分析，并繪制規律曲線等相關顯示圖，同時完成離層日報表查詢和打印，以及根據數據進行分析預警。軟件平臺由數據采集層、數據處理層和展示層構成。其通過交換機環網獲取井下傳感器采集的頂板位移基礎數據，建立各類分析模型，對各類數據進行實時自動分析；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。

數據處理層是整個系統的核心，由Active MQ服務器、平臺分析程序、數據庫3部分組成，負責從Active MQ服務器中接收各地傳輸到數據中心的數據包，對數據包分類、解析，并將原始數據存儲到數據庫中；然后，對原始數據進行再次分析，得到分析結果，再存入數據庫供Web終端查詢使用。展示層是系統與用戶的交互層，以B/S架構實現。其包括數據庫訪問模塊、業務邏輯處理模塊、圖形模塊、歷史數據顯示模塊、曲線顯示模塊、實時數據顯示模塊以及各類數據查詢顯示模塊、報表分析模塊等。軟件平臺具有實時、準確、高效的特點，能為煤礦提供及時、準確的來壓預警、頂板災害狀態評估等服務。

3　現場應用分析

為驗證系統的可靠性，在山西某煤礦井下綜采工作面現場進行安裝試驗。巷道長度約為2 000 m，每隔50 m安裝1臺頂板離層，傳感器總數為40個,分別對監測點的深基點變化量、淺基點變化量監測。自2017年1月至今，系統穩定運行。現場應用結果證明，基于SmartMesh網絡設計的頂板離層監測系統數據采集可靠、無線傳輸穩定，滿足煤礦巷道頂板位移的監測需要。

4　結束語

基于SmartMesh鏈狀無線傳感網絡設計的頂板離層監測系統，無需由本安電源供電的中繼器進行信號中繼，具備全網休眠、信號中繼、超低功耗的特點，解決了目前監測系統存在的可靠性、實用性差的問題。現場應用結果表明，系統穩定、可靠，實現了真正意義上的頂板離層無線監測。

參考文獻:

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