微功耗無線圍巖變形監測系統設計

秦海濤

(中國煤炭科工集團天地科技股份有限公司1,北京 100013;煤炭科學研究總院開采設計研究分院2,北京 100013)

微功耗無線圍巖變形監測系統設計

秦海濤1,2

(中國煤炭科工集團天地科技股份有限公司1,北京 100013;煤炭科學研究總院開采設計研究分院2,北京 100013)

巷道圍巖變形監測是評價巷道支護質量、優化支護參數和保障頂板安全的重要手段。當大量安裝圍巖變形監測傳感器進行監測時,經常遇到無穩定外部交流電源供電且布線繁瑣等問題,為此開發了一種微功耗定時采樣的圍巖變形監測系統。采用電池供電和ZigBee無線傳輸方案,通過本質低功耗設計、軟件優化設計和電源管理降低系統功耗。實測結果驗證該系統最低工作電流可達到微安級,系統不需要更換電池就可以正常工作3年以上。

定時采樣 自動采樣 無線 圍巖變形 微功耗 MSP430

0 引言

在巷道挖掘后或開采過程中,煤體的原有應力平衡狀態被破壞,煤體就可能發生變形破壞[1]。因此有必要在巷道內布置圍巖變形監測系統,科學評價巷道支護質量,優化支護參數,及時預警,保障頂板安全。

圍巖變形監測系統一般在頂底板、兩幫、錨桿、錨索布置圍巖移動傳感器、應力傳感器,用于監測支護體變形和受力狀態。巷道一般長達數千米,傳感器數量較多[2],若采用電纜為傳輸介質,常常會遇到安裝費時、布線繁瑣和線纜斷裂等難題[3]。

1 系統結構設計

無線圍巖變形自動監測系統主要由傳感器、無線數據通信網關和地面監控主機組成。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure of the system

傳感器負責采集圍巖變形量、錨桿受力、錨索受力數據,并通過無線通信的方式將數據傳輸至無線數據通信網關。無線數據通信網關負責收集所有傳感器的監測數據并將其打包發送至地面監控主機。

考慮到傳感器數量眾多且需靈活布置,故采用內置電池供電。傳感器由電源管理單元、數據采集單元、數據處理單元和數據傳輸單元組成,包含電池、傳感器、低功耗處理器、時鐘芯片、模數轉換芯片、非易失性存儲器、無線收發模塊[4]等器件。數據采集單元負責將被測圍巖變形量、錨桿受力、錨索受力信號轉換成模擬電信號并輸出給模數轉換器件,之后由模數轉換器件將其處理為數字信號;微處理器通過執行軟件程序,調用存儲器初始化參數,按照算法得到與被測參數相對應的測量數據并存儲至非易失性存儲器,最后通過數據傳輸單元與無線數據通信網關進行數據傳輸。

傳感器結構如圖2所示。

圖2 傳感器結構圖Fig.2 Structure of the sensor

低功耗設計是整個系統設計最重要的部分。基于本質安全規范對電池的容量有嚴格的限制[5-6],單靠提高電池容量并不能解決問題。在這種前提下,唯一可行的辦法就是進一步降低系統功耗和優化采樣過程。

系統功耗的降低主要有以下幾個可行的方案[7]:①本質低功耗設計,即通過器件選型、電路設計、電磁兼容設計等保證系統有效運行時功耗保持最低;②電源管理,即盡量選取具有功耗管理功能的器件,在系統運行時,通過軟件控制實現對不參與目前工作的器件進行斷電或休眠;③軟件優化設計,即通過軟件,精確控制系統的最小運行時間,減少無謂的空閑等待,避免異常功耗。一個可靠的低功耗系統設計,必須綜合考慮以上幾種方案。

(2)混合體系組分中芳香烴為主的方案的MMP最大、環烷烴為主的方案的MMP次之、烷烴為主的方案的MMP最小，這與單組分烴類的實驗結果相符。其主要區別在于，混合烴組分/CO 2的MMP均小于相同碳數的單組分/CO2的MMP。不同族烴類具有不同的碳數與最小混相壓力擬合式。

2 最小功耗硬件電路設計

為使傳感器功耗降到最低,電路元器件應盡量選取微功耗器件及帶有功耗管理的器件;邏輯器件盡量選用具有內部關斷功耗功能的CMOS器件,以減小輸入驅動電路和保證可靠的輸出驅動能力,同時能根據系統運行情況,在不工作時自動關閉電源和時鐘,進入低功耗待機狀態。所有空閑的CMOS器件輸入端都應作接地處理,防止因靜電感應造成邏輯狀態意外翻轉,導致系統工作異常[8]。

本設計選用微功耗單片機MSP430F247作為系統處理器件。該單片機具備5種低功耗模式,在RAM保持模式下,最低可達0.1 μA[9-10]。使用外部中斷喚醒時,進入活動狀態僅需1 μs。該單片機可工作在1.8～3.6 V工作電壓,工作電流僅為270 μA,且集成帶內部基準、采樣與保持以及自動掃描功能的12位A/D轉換器。片內LCD可直接驅動LCD顯示芯片,集成2路自動波特率檢測功能的增強型通用異步接收發器UART,非常適合低功耗電路設計使用。時鐘芯片選用SD2403[11],SD2403是一種內置晶振、具有標準IIC接口的實時時鐘芯片。該芯片年誤差小于2.5 min,內置單路定時/報警中斷輸出,報警中斷時間最長可設至100年,其典型工作電流僅為1.1 μA。LDO穩壓器選用CAT6219,其具有僅1 μA的“零”停機電流模式和極低的55 μA地電流,500 mA滿負載時地電流僅85 μA,是電源電壓為2.3～5.5 V電池供電設備的理想選擇[12]。無線收發模塊選用美國CEL公司的ZICM2410低功耗ZigBee模塊,其低速率、高可靠性、網絡路由功能強大、自恢復及冗余性能優異等特點非常適合巷道短距離無線傳輸應用[13-14]。

電源管理的設計思路為:通過時鐘芯片SD2403控制系統的采樣周期,每間隔預設的固定時間,電源管理單元自動給系統上電,系統進行模擬量采樣、數據存儲并無線傳輸至地面監控主機。數據傳輸結束后由處理器發出指令切斷系統電源供給,此時,除電源管理單元外,系統其他所有電路均斷電,直至下一次預設的采樣時間到來并重復以上過程。電源管理單元主要由CAT6219低壓差線性穩壓器、SD2403實時時鐘芯片、微功耗單片機MSP430F247組成。電路設計如圖3所示。

CAT6219負責給除電源管理單元外的傳感器其他器件供電,不采集時斷電。EN引腳為控制引腳,高電平時開啟供電,低電平斷電,由MSP430F247處理器的P2.0引腳控制。SD2403中斷輸出INT與MSP430F247處理器的P1.0引腳連接,作為MSP430F247微處理器的中斷喚醒輸入引腳。系統運行分為以下兩個步驟。

步驟1:傳感器首次接入電池之后,MSP430F247處理器進行端口和寄存器初始化設置,程序設置SD2403時鐘芯片的下一次中斷時間;然后由P2.0引腳輸出低電平使CAT6219關閉,除電源管理單元外其他器件均斷電;隨后MSP430F247處理器進入LPM4微功耗休眠模式。

圖3 傳感器電路圖Fig.3 Circuit of the sensor

步驟2:到達預設中斷時間后,SD2403時鐘芯片INT引腳輸出低電平,導致MSP430F247處理器P1.0引腳出現一個下降沿脈沖而結束休眠模式,P2.0引腳輸出高電平使CAT6219開啟,系統所有外設都上電。程序重新設置SD2403時鐘芯片的下一次中斷時間,然后開始采樣并數據傳輸。數據傳輸結束后由P2.0引腳輸出低電平,使CAT6219關閉,除電源管理單元外其他器件均斷電。隨后MSP430F247處理器進入LPM4微功耗模式。

無線數據通信網關作為數據的匯集節點,由于布置數量不需太多且可以布置在方便獲取交流電的位置,因此可采取常規的無線轉光纖、RS-485總線等設計方式,通過光纖或電纜與井下交換機或者直接與地面監控主機連接。設計電路不另作詳細敘述。

3 軟件設計

傳感器軟件的主要功能是自動完成對監測點的數據采集和傳輸。此外,在完成這些基本設計功能的前提下,軟件設計還需考慮對電源管理的優化、傳感器無線模塊之間路由規則優化等,精細控制系統工作時間。硬件程序采用C語言編寫。

每次采樣周期到來時系統軟件流程具體如下,系統應先對SD2400時鐘芯片進行設置并對本次中斷標志清零,通過寫時間報警允許寄存器07H～0EH來清除上次報警中斷,同時設置下次報警中斷時間,即精確控制電源按預設的時間間隔開啟。同時,應設置中斷允許位INTAE和控制寄存器2,使INT引腳為報警中斷輸出。報警中斷模式位IM設置為0,即單事件報警。

MSP430F247處理器每次喚醒后完成采集和數據發送過程,隨后發出斷電指令并自身再次進入LPM4休眠模式。

傳感器系統軟件工作流程如圖4所示。

圖4 系統軟件工作流程圖Fig.4 The work flow of system software

部分主要程序如下。

為減少微處理器有效運行的占空比,傳感器與無線數據通信網關進行數據傳輸的過程應盡量通過中斷程序實現。例如當通信波特率為9 600 bit/s時,發送1字節需要1 ms;而以1 MHz時鐘執行TXBUF0=Chr賦值的過程僅需1 μs,在等待數據發完的過程要浪費1 000個CPU周期用于查詢。若將等待過程進入LPM3休眠模式,可大大節省CPU耗電。

數據傳輸程序如下。

上位機軟件采用VC語言編寫,實現圍巖變形和錨桿、錨索受力數據進行數據庫寫入、數據分析、實時曲線顯示和報表輸出等功能。圍巖變形曲線如圖5所示,錨桿工作阻力分布頻率顯示界面如圖6所示。

圖5 圍巖變形曲線Fig.5 Wall rock deformation curves

圖6 錨桿工作阻力分布頻率顯示界面Fig.6 Display interface for frequency distribution of anchor rod working resistance

4 功耗計算和測量

由于MSP430F247處理器在采樣時處于活動狀態,在數據傳輸時間歇性工作在LPM3休眠和活動狀態。系統平均電流計算公式為[14]:

式中:Ii為第i種狀態下的功耗;Ti為第i種狀態的持續時間;IS為系統中其他外設的固定功耗。

為了簡單起見,我們取MSP430F247處理器喚醒后一直工作在活動狀態,式(1)可簡化為:

式中:T1為休眠時間;I1為休眠時的電流;T2為喚醒運行時間;I2為喚醒運行時的電流;IS為系統中其他外設的固定功耗。

實際使用過程中,鑒于圍巖變形監測系統并不要求過快的采樣周期,因此,系統每次將SD2403報警中斷設置為1 h,即系統每間隔1 h采樣一次,每次采樣和數據傳輸時間持續10 s。

MSP430F247處理器大部分時間處于LPM4休眠模式,功耗僅0.1 μA(I1);周期性地被喚醒時,以1 MHz的主頻進行工作,功耗約270 μA(I2)。SD2403時鐘芯片工作電流為1.1 μA,CAT6219停機模式電流為1 μA,取500 mA滿負載時地電流85 μA為采樣階段電流,系統中ZICM2410等其他外設的固定功耗取實測最大值約50 mA,可計算得系統平均電流為:

計算的系統平均電流為142 μA。系統采用一節標準電壓為3.6 V的ER18505型4 000 mAh一次鋰铔硫酰氯電池供電,理論可持續工作時間為:4 000 mAh/ 0.142 mA=28 169 h,約1 173 d。

5 結束語

采用本質低功耗、電源管理設計的無線圍巖變形自動監測系統,在實現對巷道兩幫和頂、底板變形量以及錨桿受力、錨索受力狀態進行實時在線監測的同時,解決了在缺乏穩定可靠的外部電源供電的環境下進行長時間自動監測的難題。采用短距離無線數據通信方式,節省了布線操作,維護簡單。本方案通過巧妙的電源管理設計,即僅在采樣和數據傳輸過程中消耗電池電量,而在斷電階段,只有電源管理單元維持工作,使得系統功耗大大降低,平均工作電流僅為142 μA。系統采用單節4 000 mAh電池,理論上即可一次性工作3年以上時間。

在軟件設計方面,通過精確的程序設計,系統每次開機的采樣和數據傳輸都采用間歇性休眠和活動狀態來最大限度降低系統的空閑等待時間,節省功耗。通過精確控制采樣和數據傳輸時間,系統每次上電工作縮短至幾秒之間,實現了智能化定時采樣通信和微功耗系統巧妙結合。

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Design of the Wireless Deformation Monitoring System with Micro-power Consumption for Roadway Wall Rock

Deformation monitoring of roadway wall rock is very important means for evaluating supporting quality,optimizing supporting parameters and ensuring safety of the roof.When installing large amount of deformation sensors for monitoring,there may not be stable external AC power supplies,and the wirings are tedious.Thus the micro-power consumption and timely sampling roadway deformation monitoring system is developed.The system is powered by batteries;and the ZigBee wireless transmission strategy is adopted.Through essentially low power design and optimized software design,the results of practical test verify that the minimum operating current is in μA level,the system can be operated normally up to three years without replacing the batteries.

Timed sampling Automatic sampling Wireless Roadway deformation Micro-power consumption MSP430

TH862

A

天地科技股份有限公司開采設計事業部青年創新基金資助項目(編號:KJ-2013-TDKC-13)。

修改稿收到日期:2014-04-24。

作者秦海濤(1981-),男,2007年畢業于中北大學微電子學與固體電子學專業,獲碩士學位,助理研究員;主要從事礦用監測監控、通信系統、傳感器等的研究。