低功耗煤礦壓力監測系統設計

何群，　郝潤芳

(太原理工大學 信息工程學院， 山西 太原　030024)

低功耗煤礦壓力監測系統設計

何群，郝潤芳

(太原理工大學 信息工程學院， 山西 太原030024)

摘要：針對煤礦井下壓力監測系統有線通信方式存在結構復雜、傳感器功耗大、數據不穩定等問題，設計了基于ZigBee的低功耗煤礦壓力監測系統。該系統采用低功耗壓力傳感器采集數據，通過ZigBee無線傳輸方式將傳感器節點數據匯總到數據采集分站，數據采集分站將數據打包處理后上傳到上位機軟件，實現了井下巷道壓力數據的實時監測，降低了傳感器的功耗，從而提高了系統的使用壽命。

關鍵詞：煤礦； 壓力監測； 礦壓傳感器; 低功耗； ZigBee

0引言

在煤礦安全生產中，井下壓力監測是非常重要的環節，煤礦井下壓力監測系統可以及時反映井下巷道圍巖壓力、煤柱壓力、液壓支架壓力的變化情況。而目前煤礦井下壓力監測系統一般采用有線通信方式，具有結構復雜、傳感器功耗大、數據不穩定等缺點。鑒此，本文設計了一種基于ZigBee的低功耗煤礦壓力監測系統。

1系統總體設計

低功耗煤礦壓力監測系統主要由監控主機、數據采集分站、傳感器節點組成[1]，如圖1所示。其中監控主機安裝在地面監控室，用于井上工作人員監測井下各個位置的壓力情況；數據采集分站安裝在每個巷道的入口處，用于管理本巷道內所有傳感器節點并將本巷道內所有節點數據上傳到井上監控主機；礦壓傳感器為整個系統的最前端，用于實時采集巷道壓力數據并定時回傳給本節點所屬采集分站，系統主要使用了礦用頂板應力傳感器、煤柱應力傳感器、液壓支架壓力傳感器。

礦壓傳感器采集各種壓力后，依次將壓力數據通過ZigBee的方式傳送到數據采集分站，數據采集分站將匯總的所有壓力數據通過RS485總線傳輸到監控主機中。井下通信采用ZigBee無線傳輸方式，降低了各個傳感器節點的功耗和組網復雜度，大大提高了傳感器電池的使用壽命。同時也確保了數據的可靠安全傳輸，節約了成本。

2系統硬件設計

2.1低功耗傳感器節點設計

因為井下壓力傳感器節點采用電池供電方式，所以采用低功耗設計方案。傳感器節點由數據采集模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊、射頻模塊、電源等組成，如圖2所示。

圖1　壓力監測系統結構

圖2　傳感器節點硬件結構

(1) 數據采集模塊。傳感器中應變片受到壓力后產生形變，應變片上的電阻絲同時發生形變，電阻大小產生變化，由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，然后電壓信號被送到數據處理模塊。

(2) 數據處理模塊。為了滿足低功耗要求，傳感器節點采用低成本、低功耗SOC芯片——CC2530作為控制核心[2]。在接收模式和發送模式下，CC2530的電流損耗分別為24 mA和29 mA，在睡眠模式下，CC2530消耗的電流僅為1 μA；利用有效位數多達12位的ADC實現對采樣數據的模數轉換，并用DMA將轉換結果寫入存儲器，從而實現數據處理功能。

(3) 射頻模塊。系統采用ZigBee的方式進行數據傳輸[3]，通信頻率為2.4 GHz，為了適應井下復雜的工作環境，保證長距離的通信以及較低的誤碼率，射頻模塊選用CC2530芯片，同時輔以低成本、高性能的射頻前端模塊CC2591，實現傳感器節點間的無線通信，進而組成無線傳感網絡。

2.2數據采集分站設計

數據采集分站負責對匯總的傳感器數據進行打包，并發送給上位機，實現井下與井上數據的相互傳遞。數據采集分站整體結構如圖3所示。

圖3　數據采集分站整體結構

3系統軟件設計

3.1井下通信機制設計

為了適應巷道的狹長特性，設計了一種基于ZigBee的線性接力傳輸方式。每個傳感器節點都有唯一的地址[4]，數據采集分站地址為0x0000，第1個節點地址為0x0001，依此類推。所有節點完成初始化后，同時進入等待接收同步時間的狀態。數據采集分站發送時間同步命令給1號節點，1號節點收到命令后，給數據采集分站返回1個應答指令，確認已經收到同步時間命令，然后按照同步指令啟動本地睡眠定時器，并將時間同步命令傳給2號節點；2號節點采用與1號節點相同的流程，當1號節點收到2號節點的應答信息后，轉移到等待接收2號節點數據的狀態；然后，2號節點將同步指令發送給3號節點，依此類推，直到最后的N號節點，因為不存在N+1號節點，所以N號節點收不到應答信號。當發送10次同步信后若仍然無應答，則N號節點發送采集數據給N-1號節點，N-1號節點給N號節點應答信號后，N號節點進入睡眠狀態。當N-1號節點收到N號節點的數據后，將自己采集的數據和N號節點的數據打包發送給N-2號節點，然后，依此類推，最后所有節點的數據都被打包發送到數據采集分站；數據采集分站將數據進行存儲，完成本次通信。井下通信機制如圖4所示。

圖4　井下通信機制

3.2節點的低功耗軟件設計

因為井下各種壓力傳感器節點都采用電池供電，所以設計一種低功耗的工作方式十分重要，降低各個節點的功耗可以大大提高其工作壽命，提高系統可靠性，節約成本。低功耗軟件分為CC2530調度程序、時間同步通信機制程序、無線收發程序3個部分。

CC2530調度程序采用中斷的方式，相比于查詢方式，中斷方式的功耗更低。如果采用查詢的調度方式讀取AD轉換數據，必須不停地讀取I/O端口寄存器，從而提高了功耗，而采用中斷方式時，主芯片不需要讀取數據就直接進入待機模式，從而降低了功耗。

時間同步通信機制對于降低傳感器節點功耗非常重要，無線數據的收發功耗非常大，為了節省電量，要盡可能地關閉節點射頻模塊，使其處于低功耗狀態[5]。為了在盡可能短的時間內通信成功，就要對各個節點進行時間同步，使所有節點同時喚醒并進行數據收發，然后同時休眠，以保證功耗最低。

數據的無線發送與接收是功耗最大的部分，為了降低這部分的功耗，要考慮到節點因為故障不能收發數據的情況，將不能通信的節點轉到單機模式，只采集而不發送數據，其他節點跳過該節點進行通信，節點工作流程如圖5所示。

3.3數據采集分站軟件設計

數據采集分站主要有2個功能：數據處理與向下通信。向下通信功能相當于把分站看成一個壓力傳感器節點，軟件設計與節點相同。數據處理功能包括數據的匯總、存儲、顯示和轉發。為了更好地運用STM32F103VET6單片機，在分站中嵌入了μCOS II實時操作系統，利用其優先級保證系統的實時處理能力，增強系統的可靠性。根據具體的功能要求設計了相對應的任務優先級，如圖6所示。

3.4上位機軟件設計

上位機軟件采用C#語言編寫，配合使用SQL Server 2008進行數據存儲。上位機軟件包含用戶管理功能、基本信息配置功能、實時數據顯示功能、歷史數據查詢功能、報警功能、報表分析功能，并使用RS485串口與數據采集分站進行通信。

圖5　節點工作流程

圖6　任務分配及優先級

4功耗測試

以礦用錨桿(索)應力傳感器節點為例，測量節點各個狀態的工作電流，傳感器節點工作流程：被喚醒→采集數據→傳輸數據→睡眠。睡眠模式下節點工作電流理論值為1 μA，節點在睡眠狀態、采集狀態、接收狀態、發送狀態、顯示狀態的電流I1—I5分別為0.001，12.8，35，53，45 mA。

1個周期T內數據采集模塊、數據顯示模塊、數據發送模塊、命令轉發模塊、數據接收模塊、指令接收模塊的工作時間T1—T6分別為200 ms，5 s，

15 ms，1.5 ms，2 s，2 s，節點處于睡眠狀態的時間T7=T-(T1+T2+T3+T4+T5+T6)。

按T=30 min計算1個工作周期中單個節點所耗的電量為

Q1|(mA·ms)=I1T7+I2T1+I3(T5+T6)+

I4(T3+T4)=145 165.283 5

(1)

因為T=30 min，所以每天通信48次。假設在1 d中，節點被查看數據10次，則1 d中消耗電量為

Q2|(mA·h)=48Q1+10I5T2=2.56

(2)

由于頂板離層儀節點所使用的電池為ER14505，其參數為2.4 A·h/3.6 V，電池使用效率按80%計算，其可用電量Q=1.92 A·h。結合式(2)可知， ER14505最長供電時間為750 d。

經過一系列低功耗軟硬件設計優化之后，傳感器安裝完成后能夠使用750 d，完全能夠滿足其工作需求。

5結語

基于ZigBee的低功耗煤礦壓力監測系統可以對井下各種應力進行實時監測，提高了煤礦井下生產的安全性。該系統采用ZigBee無線通信方式和時間同步機制，降低了各個節點的功耗，提高了產品的使用壽命。

參考文獻：

[1]李致金.基于無線傳感器網絡的煤礦頂板壓力監測系統[J].電子技術應用,2010(11):102-105.

[2]姬海超,王曉榮,蓋德成,等.井下分布式無線應力監測系統設計[J].電子技術應用,2015,41(9):45-47.

[3]陳斯,趙同彬,高建東,等.基于ZigBee PRO的礦井瓦斯無線監測系統[J].煤炭技術,2011,30(9):110-112.

[4]方剛,任小洪,賀映光,等.基于ZigBee技術的煤礦監測系統[J].儀表技術與傳感器,2010(12):41-43.

[5]龐娜,程德福.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監測系統設計[J].吉林大學學報:信息科學版,2010,28(1):55-60.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1550.019.html

Design of coal mine pressure monitoring system with low power consumption

HE Qun，HAO Runfang

(College of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024， China)

Abstract:In view of problem of complex structure, large power consumption of sensor and data instability existed in wired communication mode of pressure monitoring system of underground coal mine, coal mine pressure monitoring system with low power consumption based on ZigBee was designed. The system uses pressure sensor with low power consumption to collect data, and the data was summarized to sub-station through ZigBee wireless transmission, then sub-station uploaded the data to PC software after data packaging and processing, so as to achieve real-time monitoring of underground tunnel pressure data. It reduces power consumption of sensor, and thereby increases system life.

Key words:coal mine; pressure monitoring; mine pressure sensor; low power consumption; ZigBee

中圖分類號：TD355.4

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-01-26 15:50

文章編號：1671-251X(2016)02-0073-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.019

何群，郝潤芳.低功耗煤礦壓力監測系統設計[J].工礦自動化，2016,42(2)：73-76.