基于無線傳感器的液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

孫志勇

（山西西山晉興能源有限責(zé)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(jìn)行信號傳輸?shù)?，而線路太多給現(xiàn)場的故障維修以及生產(chǎn)時的人員走動帶來諸多的不便。針對這種情況設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用無線傳感器進(jìn)行信號采集，通過Sink進(jìn)行信號的匯聚，然后通過特殊的算法實現(xiàn)信號的有效傳輸和節(jié)能。

1 液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)的組成

對工作面液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)的整體要求就是能夠?qū)⑵渥鳂I(yè)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(shù)進(jìn)行采集，將采集到的參數(shù)轉(zhuǎn)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(jié)點、CAN、Sink總線以及中間的路由器節(jié)點和上層的監(jiān)控用到的軟件都是傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸功能所必須的[1]。傳感器節(jié)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(shù)。路由節(jié)點的主要功能是實現(xiàn)傳感器節(jié)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(shù)據(jù)。Sink節(jié)點主要用于整個信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的搭建，起到信息匯聚的作用，同時他還可以為網(wǎng)絡(luò)上的各個設(shè)備分配必要的網(wǎng)絡(luò)地址。本文中的Sink模塊采用STM32W108作為CPU，同時負(fù)責(zé)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(xié)議的控制器，而信號收發(fā)采用CTM8250芯片來實現(xiàn)，這是一種常用的組合搭配，能夠很好的保障系統(tǒng)的實施穩(wěn)定性。

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

因為煤礦井下工作環(huán)境比較復(fù)雜，通信干擾比較多，所以本設(shè)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(jié)點供電，同時為了能夠長時間的穩(wěn)定運行所以選擇的負(fù)載芯片全部都是低功耗的。圖3所示為傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。

本系統(tǒng)中壓力的采集采用擴散硅形式的壓力傳感器來進(jìn)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(wěn)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(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的信號傳輸和數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)低功耗的基礎(chǔ)上還能比較高效率的實現(xiàn)處理能力，并且具有優(yōu)秀的遠(yuǎn)距離通信能力。同時芯片還具有CAN總線信息的收發(fā)功能。能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)形式的A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后將實時壓力值顯示到人機界面上。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的算法模型

這里選擇Sink作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求確定的[2]。如圖2所示的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這里定義為G（V，E），網(wǎng)絡(luò)中涉及到的全部節(jié)點用V表示，而網(wǎng)絡(luò)中相鄰兩個設(shè)備自檢的路線用E表示，可以搭建出網(wǎng)絡(luò)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(fā)過程中的能量消耗每bit的信號量；ηi、ηm為在信號接收和發(fā)送電路中消耗能量的因素；di，j為最近的兩個節(jié)點之間的距離；dc為彼此臨近的兩個節(jié)點之間距離的最大或者是最小值。

在傳感器收發(fā)信息的時候的功率消耗：

在節(jié)點處發(fā)生數(shù)據(jù)匯聚時的能量消耗：

式（6）中ED為在發(fā)生數(shù)據(jù)匯聚時單位數(shù)據(jù)所消耗的能量。

Sink為了獲得底層無線傳感器節(jié)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(jié)點，然后經(jīng)過計算最后能夠確定整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均可用能量[3]。在能夠確定具體的簇頭時，系統(tǒng)是通過Tn這個參數(shù)來控制信息進(jìn)行精確傳輸?shù)模缡剑?）所示：

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

式（8）所表示的為某條路徑上全部節(jié)點的集合，這條路徑就是簇頭給Sink傳輸信息的節(jié)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(shù)costi，j為相鄰的兩個節(jié)點之間收發(fā)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(biāo)：

式（10）中：Esmin為當(dāng)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?zhèn)鞲衅鞴?jié)點到Sink節(jié)點之間的數(shù)量；α，β，γ為參數(shù)。

式（11）是整個系統(tǒng)路由的選取方法：

利用式（11）的算法能夠提系統(tǒng)選擇最優(yōu)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(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的可靠性和節(jié)能性[4]。

3 液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

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(jìn)入升柱狀態(tài)，當(dāng)一切順利后就可以關(guān)閉電磁閥停止升柱，當(dāng)有問題時便做出相應(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，從圖中我們可以看出整個系統(tǒng)由四部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、通訊模塊。根據(jù)液壓支架的實際需求來設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場運用，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計的液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地檢測到液壓支架工作時的各項參數(shù)，并能夠?qū)⑵涔ぷ鳡顟B(tài)通過監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)接脩魧印．?dāng)工作面的頂板壓力超限時系統(tǒng)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(guān)的應(yīng)對措施。同時由于該系統(tǒng)采用了無線傳感器，省去了很多接線使現(xiàn)場工作面更加整潔，減少了事故發(fā)生的可能性，在一定程度上能夠提高礦井的生產(chǎn)效率。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖