井下分布式無線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

井下分布式無線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計摘要：為解決煤礦下現(xiàn)有集中式控制應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)可靠性差、施工困難的問題，基于分布式控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了適用于煤礦下復(fù)雜環(huán)境的分布式應(yīng)力監(jiān)測通信系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件電路及軟件設(shè)計。以分布式無線ZigBee為核心設(shè)計無線終端采集節(jié)點，實時獲取井下支護設(shè)備應(yīng)力。協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳至上位機后進行數(shù)據(jù)處理。實驗測試表明，系統(tǒng)實時性好，可靠性強，能夠滿足實際監(jiān)測需求。關(guān)鍵詞：煤礦；分布式控制；應(yīng)力監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；通信系統(tǒng)0引言煤礦井下復(fù)雜的工況環(huán)境存在諸多如頂板斷裂、支架變形、巷道底鼓、頂板離層等安全隱患［1］。為安全生產(chǎn)，我國已有部分煤礦建立了煤礦巷道安全監(jiān)測系統(tǒng)，但早期集中式控制的礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)，其控制任務(wù)過于集中，易造成主機負荷重，系統(tǒng)不穩(wěn)定，實時性差，而且大多采用電纜連接監(jiān)測設(shè)備，致使井下布線繁雜，移動不便，系統(tǒng)成本高［2］。一旦串聯(lián)的通信電纜發(fā)生故障，監(jiān)測系統(tǒng)就會癱瘓。因此，本文提出分布式控制無線網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)，采用新型集成無線射頻模塊組成分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成無線分布式控制的井下應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)井下支護設(shè)備應(yīng)力監(jiān)測的全面性、實時性。分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem，DCS)是應(yīng)用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行分散控制、集中管理的一種綜合型計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般分為現(xiàn)場層、控制層、監(jiān)控層和管理層四層［3］。每個層級都有對應(yīng)的功能，層級之間可以相互通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。分布式無線控制應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)分為井上和井下兩個部分，井上為監(jiān)控中心層，井下為集中控制層和采集節(jié)點層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采集節(jié)點層即終端節(jié)點，是構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)的基本單元，安裝在井下頂板、液壓支架、錨固設(shè)備上，負責壓力數(shù)據(jù)采集、存儲，并將數(shù)據(jù)傳到集中控制層的協(xié)調(diào)器中。路由節(jié)點是無線通信的中繼器，負責數(shù)據(jù)和命令的自動中繼傳輸，以擴大分布式無線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。集中控制層的協(xié)調(diào)器負責無線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，實現(xiàn)無線通信和有線通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過CAN總線上行傳送壓力數(shù)據(jù)，下行傳送上位機指令。監(jiān)控中心層的傳輸接口在井上通過CAN總線下達命令，匯總?cè)舾赏ㄐ欧终镜臄?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至中央處理平臺。監(jiān)測管理人員可以通過上位機軟件讀取實時壓力數(shù)據(jù)、繪制實時曲線、查詢歷史數(shù)據(jù)、打印報表等，也可發(fā)送控制命令，方便對井下壓力情況的分析和預(yù)測。采集節(jié)點硬件設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求數(shù)據(jù)采集、通信的穩(wěn)定性，也要考慮到無線傳輸距離、器件的防爆性能。終端節(jié)點硬件組成如圖2,供電模塊為整個終端節(jié)點提供電源，是其他功能實現(xiàn)的前提；傳感器模塊負責采集壓力計數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換并將處理的二進制數(shù)通過GPIO端口傳送給主芯片；主芯片負責數(shù)據(jù)的存儲和終端節(jié)點本身采集的數(shù)據(jù)；ZigBee模塊要實現(xiàn)命令的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送，與路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器進行通信。主芯片選用STM32F103中等容量增強型，工作電壓是1.8~3.6V，其低功耗適用于電池供電的無線傳感器節(jié)點設(shè)計。存儲模塊選用M25P16,容量2MB，與主芯片之間采用SPI通信。時鐘芯片選用DS1302,其與主芯片通過3根信號線連接，采用電源3.3V和紐扣電池供電，兩種供電方式不同時供電，紐扣電池作為備用電源，當設(shè)備斷電時時鐘模塊正常工作。無線模塊選用增強型ZigBee，用戶通過AT指令集來進行各種操作。傳感器采用CLY型壓力傳感器，其內(nèi)置阻抗大，功耗低，監(jiān)測范圍寬，穩(wěn)定性好，性價比高。2.1傳感器信號調(diào)理電路傳感器數(shù)據(jù)采集是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心，傳感器的測量精度和穩(wěn)定性取決于信號的采集和調(diào)理。應(yīng)力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，為提高采樣精度，要通過調(diào)理電路放大微弱的電壓信號［4］。設(shè)計采用低功耗的AD623芯片，其工作電壓范圍寬，共模輸入范圍可擴展到地電平150mV以下，能夠測量較低或沒有共模部分的小差分信號，更適合電池供電的低功耗設(shè)備。AD623在單電源3.3V供電下，提供滿電源幅度的輸出，輸出電壓公式為V0=(1+100K/R)Vin+Vref，由單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，因此能夠得到很好的靈活性。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3,其中電容、電阻構(gòu)成濾波電路防止射頻干擾。CLY型傳感器由模擬3.3V隔離供電，壓力傳感器信號接入AD623輸入端，經(jīng)過運放處理輸出的放大信號接入CPU，最大工作電流小于10mA，功率小于1/3W。2.2供電模塊系統(tǒng)正常運行需要為終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器提供所需能量，系統(tǒng)供電如圖4。井下電路的本質(zhì)安全設(shè)計依據(jù)GB3836爆炸性環(huán)境系列標準［5］，終端采集節(jié)點為保證低功耗，除主芯片模塊和Flash模塊常供電外，各模塊供電通過MOS管控制，在需要實現(xiàn)模塊功能時，主芯片IO端口控制MOS管導(dǎo)通供電，功能完成后關(guān)斷以降低功耗。礦下常用127V交流電，直接使用本安隔爆電源轉(zhuǎn)直流12V，再通過LM7805轉(zhuǎn)5V，采用兩級降壓的方法能夠防止一級電源電壓波動造成干擾，為接口和協(xié)調(diào)器節(jié)點提供穩(wěn)定的電壓源。電源輸入端正負極短接TVS管用以過壓保護，同時正極輸入端接2個低壓降低阻抗的二極管，為短路防反接提供雙重保護［6］。電源正端串接PTC熱敏電阻進行過流過載電路保護，短路時PTC發(fā)熱呈現(xiàn)高阻態(tài)使電路處于相對“斷開”狀態(tài)，保護電路不受破壞。故障排除后，PTC自動恢復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。終端節(jié)點采用4節(jié)1.5V的1號串聯(lián)電池組供電，應(yīng)盡可能降低功耗以延長使用壽命。為滿足本安要求，電池組串接一個常溫標稱阻值為1Q的PTC提供短路保護。防爆試驗中，電池組短路電流不大于5A，短路發(fā)熱最高溫94°C，無漏液現(xiàn)象，適用于井下環(huán)境。3系統(tǒng)軟件設(shè)計井下巷道的分布大都呈線型結(jié)構(gòu)，工作面上的支護設(shè)備、液壓支架等分布距離較小，考慮設(shè)備的特殊布局和節(jié)點能耗不等的問題，系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。路由節(jié)點初始化后，自動加入?yún)f(xié)調(diào)器已經(jīng)建立好的通信網(wǎng)絡(luò)并建立路由表［7］。其無線模塊供電后，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)功能，將采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)匯總后轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，接收協(xié)調(diào)器發(fā)過來的指令信息后轉(zhuǎn)發(fā)給目的終端節(jié)點。終端節(jié)點數(shù)據(jù)格式和上位機指令格式見表1、表2。其中上位機功能碼有4個：0X01讀取傳輸接口數(shù)據(jù)；0X02廣播更改終端節(jié)點的時間；0X03更改協(xié)調(diào)器編號；0X04設(shè)置安裝終端節(jié)點，以方便在協(xié)調(diào)器節(jié)點上的液晶屏顯示通信狀態(tài)。3.1協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮R聚中心，是整個分布式控制無線網(wǎng)絡(luò)的核心［8］。每個分布式ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程如圖5。在節(jié)點中各模塊初始化完成后需要建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點、終端節(jié)點搜索信道后申請加入，協(xié)調(diào)器自動篩選申請加入的節(jié)點并分配地址建立列表。協(xié)調(diào)器通過CAN控制器ADM3053把接收到的子節(jié)點的ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，然后通過CAN總線、USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)送至上位機。此外，下行通信可以向下傳送主機的命令指令，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)包發(fā)送給分布式網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點。3.2終端節(jié)點終端采集節(jié)點上載有3個通道壓力傳感器，負責數(shù)據(jù)的采集、存儲和上傳，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。程序流程如圖6,終端節(jié)點上電后，無線模塊自動進行初始化，然后請求加入無線網(wǎng)絡(luò)。當協(xié)調(diào)器接收到請求信號后會返回一個包含協(xié)調(diào)器ID和對應(yīng)終端節(jié)點ID的信號，ID編號具有唯一性，以實現(xiàn)點對點通信，防止發(fā)生通信沖突。加入網(wǎng)絡(luò)后，在滿足采集條件時采集并保存數(shù)據(jù)至外部Flash防止網(wǎng)絡(luò)中斷數(shù)據(jù)丟失，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器或就近的路由節(jié)點后節(jié)點休眠，保持低功耗。數(shù)顯模塊驅(qū)動采用內(nèi)部自帶鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動芯片SM1668,可有效控制亮度來降低功耗。數(shù)碼管的顯示采用按鍵喚醒，當按下按鍵時，數(shù)碼管輪詢顯示當前終端節(jié)點編號、時間間隔、實時壓力數(shù)值。顯示時間為3s，結(jié)束后自動關(guān)閉顯示功能以降低功耗。4系統(tǒng)測試與分析井下巷道中節(jié)點呈鏈狀分布，為驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性，選取長寬高分別為120m、2m、3.6m的走廊模擬巷道，將若干終端節(jié)點和路由節(jié)點懸掛于墻壁上。協(xié)調(diào)器節(jié)點與傳輸接口之間通過CAN總線連接，中間接上10km雙絞線距離仿真板。走廊內(nèi)的終端節(jié)點外接電位計模擬壓力傳感器打壓，用示波器測得數(shù)據(jù)波形如圖7,相鄰一組收發(fā)數(shù)據(jù)時間間隔為150ms，系統(tǒng)模擬16臺采集節(jié)點，巡檢周期2.4s。采集節(jié)點連續(xù)運行一周后，其中一個模擬傳感器的實時壓力值部分曲線如圖8。井上工作人員可以設(shè)定壓力上限、下限報警值，方便直觀地對測點進行監(jiān)控、及時掌握情況并采取相應(yīng)措施保證生產(chǎn)安全。同時可以在Access數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出Excel歷史數(shù)據(jù)表，如圖9,方便技術(shù)人員分析測點數(shù)據(jù)，制定合理的生產(chǎn)計劃。經(jīng)連續(xù)運行模擬測試，上位機實時記錄壓力數(shù)據(jù)并繪制曲線，在壓力值不變的情況下監(jiān)測的數(shù)據(jù)基本維持一條水平直線，調(diào)節(jié)電位計，壓力值曲線也隨之改變并保存歷史數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)丟包的情況，驗證了數(shù)