基于無線傳感器的液壓支架監控系統設計

孫志勇

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 興縣 033602）

引言

目前，礦井下用到的液壓支架傳感器都是采用有線的方式進行信號傳輸的，而線路太多給現場的故障維修以及生產時的人員走動帶來諸多的不便。針對這種情況設計了一種基于無線傳感器網絡的礦井液壓支架監控系統。系統中采用無線傳感器進行信號采集，通過Sink進行信號的匯聚，然后通過特殊的算法實現信號的有效傳輸和節能。

1 液壓支架監控系統的組成

對工作面液壓支架監控系統的整體要求就是能夠將其作業信息實時的上傳到上位機，而傳感器的主要工作就是對液壓支架工作時的各項參數進行采集，將采集到的參數轉化為控制器可以識別的電流信號或者是電壓信號。而傳感器節點、CAN、Sink總線以及中間的路由器節點和上層的監控用到的軟件都是傳感器能夠實現無線傳輸功能所必須的[1]。傳感器節點也就是我們所說的傳感器，其主要功能就是采集液壓支架各項工作參數。路由節點的主要功能是實現傳感器節點和各種總線之間的通信，用于在兩者之間傳遞指令或者是數據。Sink節點主要用于整個信息系統網絡的搭建，起到信息匯聚的作用，同時他還可以為網絡上的各個設備分配必要的網絡地址。本文中的Sink模塊采用STM32W108作為CPU，同時負責和CAN總線或者是射頻天線的通信等。如圖1所示：CAN總線采用MCP2525作為協議的控制器，而信號收發采用CTM8250芯片來實現，這是一種常用的組合搭配，能夠很好的保障系統的實施穩定性。

如圖2所示：液壓支架搭建的無線傳感器網絡示意圖。為了方便管理必須將傳感器安裝在監控的視野范圍，而傳感器收集到的信息是通過Sink節點來匯聚并上傳給監控中心的。而監控中心的任務一方面是將數據存儲，另一方面是將有用的信息上傳到更高一級的網絡中，以便于上級用戶對井下工作面液壓支架的情況進行查看。

因為煤礦井下工作環境比較復雜，通信干擾比較多，所以本設計中使用到的通信器件全部是性能比較高的。為了便捷性及電源的純度，這里選用電池為傳感器節點供電，同時為了能夠長時間的穩定運行所以選擇的負載芯片全部都是低功耗的。圖3所示為傳感器節點的結構示意圖。

本系統中壓力的采集采用擴散硅形式的壓力傳感器來進行，主要是因為該類型的傳感器具有比較高的采集精度和穩定性，因為功率消耗比較低，所以在使用電池的情況下可以使用較長時間。

圖3 傳感器節點的結構示意圖

系統的信號傳輸和數據處理模塊采用STM32系列的低功耗芯片型號為STM32W108。該芯片在能夠實現低功耗的基礎上還能比較高效率的實現處理能力，并且具有優秀的遠距離通信能力。同時芯片還具有CAN總線信息的收發功能。能夠進行數據形式的A/D轉換，轉換后將實時壓力值顯示到人機界面上。

2 無線傳感器網絡的算法模型

這里選擇Sink作為無線傳感器網絡節點的網絡結構是根據現場監控系統的實際需求確定的[2]。如圖2所示的無線傳感器網絡這里定義為G（V，E），網絡中涉及到的全部節點用V表示，而網絡中相鄰兩個設備自檢的路線用E表示，可以搭建出網絡模型公式：

式中：l為信息在傳輸過程中的長度；Ee為在信號收發過程中的能量消耗每bit的信號量；ηi、ηm為在信號接收和發送電路中消耗能量的因素；di，j為最近的兩個節點之間的距離；dc為彼此臨近的兩個節點之間距離的最大或者是最小值。

在傳感器收發信息的時候的功率消耗：

在節點處發生數據匯聚時的能量消耗：

式（6）中ED為在發生數據匯聚時單位數據所消耗的能量。

Sink為了獲得底層無線傳感器節點的能量，就要主動的將自己的位置信息傳輸給全部的傳感器。然后無線傳感器在獲得命令后就會將自己的剩余可用的電量傳輸給Sink的節點，然后經過計算最后能夠確定整個傳感器網絡的平均可用能量[3]。在能夠確定具體的簇頭時，系統是通過Tn這個參數來控制信息進行精確傳輸的，如式（7）所示：

式（7）中：r為無線系統中用到的簇頭節點數占整個系統中總節點數的百分比；q為當前信息傳遞的輪數；G為沒有成為簇頭的節點集合在1/r輪循環結束之后；k為當前節點剩余的能量參數；Ei為信號傳輸節點在剛開始時的能量；Es為在信號傳遞完成后節點具有的能量；dm為傳感器節點和Sink節點之間的平均距離；dn為傳感器和Sink最近節點之間的距離。

式（8）所表示的為某條路徑上全部節點的集合，這條路徑就是簇頭給Sink傳輸信息的節點路徑。

式（9）為在這條路徑上需要消耗的能量：

式（9）中提到的參數costi，j為相鄰的兩個節點之間收發信息的時候消耗的能量。

式（10）位每條路徑在消耗能量是的評價指標：

式（10）中：Esmin為當信號傳輸完畢后整條線路上殘存的能量最小的值；Hopn為整條信號傳輸路徑上面傳感器節點到Sink節點之間的數量；α，β，γ為參數。

式（11）是整個系統路由的選取方法：

利用式（11）的算法能夠提系統選擇最優的信號傳輸路線，同時確定各條路線的能量剩余量，這樣便可以提高液壓系統無線傳感器網絡使用的可靠性和節能性[4]。

3 液壓支架監控系統的軟件實現

如圖4所示為液壓支架的升柱軟件控制流程圖，通過圖中我們可以看出首先是進入升柱狀態，當一切順利后就可以關閉電磁閥停止升柱，當有問題時便做出相應的操作。

圖4 液壓支架升柱的操作流程

下頁圖5所示為液壓支架監控系統的結構圖，從圖中我們可以看出整個系統由四部分組成，分別是數據采集模塊、數據處理與分析模塊、參數設置模塊、通訊模塊。根據液壓支架的實際需求來設計監控系統軟件。

4 結語

通過現場運用，發現本文設計的液壓支架監控系統能夠穩定地檢測到液壓支架工作時的各項參數，并能夠將其工作狀態通過監控系統傳輸到用戶層。當工作面的頂板壓力超限時系統能夠及時報警加泄壓。這時地面控制中心便會及時做出相關的應對措施。同時由于該系統采用了無線傳感器，省去了很多接線使現場工作面更加整潔，減少了事故發生的可能性，在一定程度上能夠提高礦井的生產效率。

圖5 監控系統的組成結構圖