GUD300礦用頂板位移傳感器的低功耗設計

邵 祥，程永強

(太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030027)

GUD300礦用頂板位移傳感器(以下簡稱傳感器)是一款基于Zigbee網絡傳輸的巷道頂板位移傳感器，量程300 mm，使用CC2530為數字處理核心，具有兩路離層采集、位移顯示、位移報警、100 m Zigbee 信號覆蓋等功能。該傳感器使用不可充電鋰電池(2.4 Ah)供電，無線傳輸，解決了普通礦用傳感器必須引線供電、傳輸數據的弊端，增強了安全性，減少了安裝復雜度。但是，傳感器電池必須保證傳感器庫存3個月以上、正常工作時間不小于1 a。因此，如使用2.4 Ah鋰電池供電，低功耗設計就顯得尤為重要。

1 傳感器實際工作需求的分析

煤礦開采前需要先在所采煤層掘進回風巷和運輸巷以便回采，由于巷道破壞了巖層原有的力學平衡，會被其他巖層擠壓導致頂板下沉、地板上拱、兩幫收斂[1]。頂板位移傳感器就是用來測量頂板下沉量的。

GUD300礦用位移傳感器采用點對點接力傳輸的思想，在上千米長的巷道中每隔50 m安裝1臺傳感器。到了數據上傳的時刻，傳感器依次把自己的離層數據傳輸給靠近分站方向的其他傳感器，直到KJ826-F礦用本安型采集分站，由采集分站通過光纖傳輸給監控主機[2]。

傳感器在安裝完成后，需要保證能夠正常工作1 a以上，傳輸數據最小間隔為半小時，采集數據最小間隔為2 min，可隨時人工查看位移值，位移超過報警限時自動光報警[3]。

因為要顯示離層位移，所以傳感器需要有4位數碼管以保證安裝在巷道頂部人能看清楚。同時增加一個光敏二極管電路，使得礦燈照射傳感器時喚醒傳感器顯示當前離層位移。光報警功能可以用一個紅色發光二極管閃爍完成。使用2個10 kΩ精密電位器通過轉換測量頂板位移值。采用CC2530+CC2591以實現100 m Zigbee信號覆蓋的功能[4-5]。

按照最大工作量計算，傳感器每天上傳48次數據，采集數據720次(2路)，人工觸發顯示10次(包括無意觸發)。

2 軟硬件協同的低功耗設計

GUD300礦用頂板位移傳感器硬件主要分為無線收發模塊、電源控制模塊、顯示模塊、AD模塊、光喚醒模塊、報警模塊。

其中，無線收發模塊包含數字處理核心CC2530和功率放大芯片CC2591。CC2530工作在Power Mode 2時，消耗電流為1 μA[6]。CC2591工作在掉電模式，消耗電流僅為100 nA[7]。光敏二極管在沒有光照的條件下消耗電流幾乎為零，而其他數字模塊即使在不工作的條件下也有毫安級別的耗電。

為保證傳感器工作正常，其顯示、報警、采集、傳輸時必須提供足夠的電能，但是這些工作不會同時進行，如果這些模塊都單獨控制、供電，將能大大降低傳感器功耗。但是，每增加一個電源控制模塊就需要多占用一個IO口、增加一片MOS管。為減少生產成本、IO口占用和布線復雜度，我們將主板上的電源分為VDD和VDDA兩種。其中，VDD與電源直接連接，VDDA通過一個MOS管與VDD連接，CC2530控制MOS管的通斷。如圖1所示。

圖1 電源控制模塊

無線收發模塊、光喚醒模塊和光報警模塊等必須要時刻供電或休眠耗電很低的模塊由VDD供電，其他模塊由VDDA供電，在傳感器休眠時關斷VDDA以杜絕無謂的能量消耗。在完成電源模塊的改造后，配置CC2530為Power Mode 2、CC2591為掉電模式，MOS管關斷，傳感器休眠消耗電流Id=3 μA。

在傳感器通信時，因為不需要顯示和采集數據，所以同樣配置MOS管關斷，以保證只有通信模塊用電。這時，通信模塊發送數據消耗電流It=52 mA，而開啟接收后消耗電流Ir=37 mA。

在需要采集或顯示離層位移值時，需要打開MOS管同時配置CC2591為掉電模式。其中，采集時消耗電流Ic=13.6 mA，顯示時消耗電流Is=40 mA[8]。

3 基于通信協議的低功耗設計

本礦用頂板位移傳感器使用點對點傳輸方式，在巷道中每50 m安裝1臺傳感器，位移數據接力傳回采集分站。要求傳感器數據能夠半小時上傳1次，通信協議的制定旨在用最小的功耗完成所有傳感器數據的回傳。因為傳感器通信使用接力方式，所以傳感器應該依次喚醒收發數據以達到功耗最小的目的。

圖2為相鄰傳感器間的通信示意圖，由圖可以看出，傳感器依次被各自的休眠定時器喚醒，采集離層數據并開啟RF收，待傳感器收到指令并解包下發后，傳感器再次休眠不同的T_sleep時長[9]，由休眠定時器喚醒收數據包，加入自己的數據再次上傳，之后休眠完成一輪的數據通信。

圖2 相鄰傳感器間正常通信示意圖

其中，第一次休眠定時器喚醒是因為到了半點通信時間，由傳感器各自的RealTime決定。傳感器收到指令后校準RealTime，因為各傳感器收到的指令相同，而收到的時間不同，所以能夠形成傳感器依次喚醒而不影響通信的結果。

傳感器下發指令到收到下一傳感器傳回的數據包的時長是不同的，越靠近分站方向的傳感器所等待的時長越長。如果這段時間傳感器不休眠，所造成的電能虛耗是很大的，而且這也將造成靠近分站的傳感器電量先耗盡的結局。因此，在傳感器下發指令后，使其休眠T_sleep時長。T_sleep由第1次通信時傳感器可以學習到，并在之后的每次通信修正。如此，可使傳感器使用最少的電能完成正常的數據傳輸。

圖3為傳感器全部工作流程。傳感器裝配完成并上電后，直接進入休眠模式并使用外部手段屏蔽中斷直到傳感器安裝完成正常工作，中間經過不超過3個月的庫存和運輸狀態。在傳感器安裝完成后，去除外部中斷屏蔽，在用光照光敏二極管產生一個中斷喚醒傳感器并使用采集分站初始化傳感器。之后傳感器每半小時自動喚醒通信一次，中間可由人工光照觸發中斷喚醒查看傳感器測量值。

圖3 傳感器工作流程圖

傳感器在網絡中首次通信全程不休眠，在轉入發指令之后，開啟RF收并開啟T1計數器直到收到返回的數據包，使用T1的值在確定T_sleep變量的初值，并在之后的每次通信中修正T_sleep，使開啟RF接收的時間最小化。在使用T_sleep時減去ns的目的是使傳感器提前醒來以保證工作穩定能夠收到數據[10]。在傳感器節點序號超過44后，由于數據的增加，數據包將分成三幀發送[11]。

在完成通信協議的軟件編碼工作后，可以測得傳感器各個工作狀態的持續時間，如表1所示。

表1

4 工作時長估算

GUD300礦用頂板位移傳感器所使用的電池為ER14505 2.4 Ah/3.6 V，電池使用效率按90%計算[12]，可用電能Q=2.16 Ah。

因為一般電池能量計算使用“Ah”單位，為計算方便，我們使用同一單位計算傳感器功耗。由前幾節分析可知，傳感器工作周期為半小時。拋開人工查看離層數據，在1個工作周期內，傳感器需要完成1次數據傳輸、15次數據采集，其余時間全部休眠。則傳感器在1個工作周期內的電能消耗Q1為

Q1=(Tt1+Tt2)It+(Tr1+Tr2)Ir+TcIc×15

+TdId=196 926.4 mA·ms

假設一天內人工有意或無意的礦燈直射傳感器10次觸發傳感器顯示，則傳感器在1天內的電能消耗Q2為

Q2=Q1×48+TsIs×10=

11 452 467.2 mA·ms≈3.18 mAh

假設傳感器在裝配完成后經過了3個月才安裝在礦井下開始工作，則這段時間傳感器的電能消耗Q3為

Q3=3×30×23 h×3 μA=6.48 mAh

傳感器由ER14505供電所能正常工作的時長為

T=(Q-Q3)/Q2≈667 d≈1.85 a

由此可知，經過一系列的低功耗軟硬件設計優化之后，傳感器安裝完成后能夠使用667 d,將近2 a，完全能夠滿足其工作需求。

5 結束語

本文根據礦用頂板位移監測系統的需求以低功耗為目標完成了礦用頂板位移傳感器的硬件設計與通信協議設計。使得傳感器能夠分時供電，讓不需要工作的模塊不耗電。同時，本文設計的通信協議解決了不同傳感器之間通信同步的難題，使等待接收數據時間最小化，實現了最小能量消耗的數據傳輸，又保證了系統工作的穩定性。

[1] 戴俊，喬彥鵬，郭相參，等.煤礦巷道冒落拱高度的測量方法[J].礦業研究與開發，2009，29(6)：26-27,81.

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[5] 章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用，2011(7)：184-187，120.

[6] A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL].[2014-01-05].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[7] 2.4-GHz RF Front End[EB/OL].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2591.pdf.

[8] 楊光松，石江宏，陳紅霞，等.無線傳感網中能耗因素的分析與仿真[J].集美大學學報：自然科學版，2008，13(2)：141-146.

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[11] 趙春江，屈利華，陳明，等.基于ZigBee的溫室環境監測圖像傳感器節點設計[J].農業機械學報，2012(11):192-196.

[12] 闞宏林，肖亞平.一種多串鋰電組全程主動均衡方法研究與設計[J].電源技術，2012(9)：1285-1286.