基于無線通信的煤礦壓力監測系統研究

張玉平

（山西陽城陽泰集團有限責任公司宇昌煤礦， 山西 陽城 048105）

引言

煤礦生產環境比較特殊，液壓支架壓力、煤柱壓力以及巷道圍巖壓力一直是影響煤炭安全生產的重要因素[1-2]，因此煤礦井下壓力監測系統是現代化綜采工作面的重要一環。傳統的壓力監測系統多采用有線通信的方式，由于壓力傳感器節點較多、并且工作面空間狹小、環境較為惡劣，因此有線通信存在布線困難、通信線纜易磨損、可靠性較差的問題[3-5]。針對這一問題，設計了基于ZigBee無線通信的壓力監測系統。

1 壓力監測系統總體結構設計

系統總體結構圖如圖1所示，壓力監測系統主要由傳感器節點、數據采集分站以及監控主機構成。其中傳感器節點負責采集節點處的壓力信息，并將這些信息通過ZigBee無線通信網絡上傳至數據采集分站，從而降低了布線難度，提高了數據傳輸的可靠性，不同傳感器節點所采用的傳感器類型并不相同，包括液壓支架壓力傳感器、煤柱應力傳感器、頂板應力傳感器；數據采集分站一般布置在巷道入口處，用于接收所處巷道內的傳感器節點上傳的信息，并將這些信息通過RS485總線進一步上傳至監控主機；監控主機位于地面監控室，負責將各個位置的壓力傳感器數據可視化，工人通過監控主機可實現對煤礦井下壓力的實時遠程監測。

2 壓力監測系統硬件設計

2.1 傳感器節點硬件設計

為了減少系統布線，傳感器節點均采用電池供電，為延長傳感器節點的使用壽命，在設計時必須將功耗作為重要參考要素。傳感器節點硬件結構如圖2所示，包括射頻模塊、數據顯示模塊、數據處理模塊、數據采集模塊以及電源等。

圖1 壓力監測系統總體結構圖

圖2 無線傳感器節點硬件結構圖

1）數據采集模塊。壓力傳感器是數據采集模塊的核心，壓力傳感器的原理是傳感器在受到壓力后，其中的應變片會發生形變，應變片的形變會造成其電阻值的變化，從而在電橋上形成與壓力成正比的電壓信號，并且能夠保證很好的線性關系，控制器通過分析電壓信號即可獲得該處的壓力信號。

2）數據處理模塊。由于傳感器采用自供電方式，因此對處理器的功耗有著較高的要求，控制核心選用CC2530，該芯片以增強型8051為內核，集成了ZigBee協議棧，具有成本低、功耗小的特點，在睡眠模式下，CC2530的電流僅僅只有不到1uA，即使在工作模式下，其發送和接收數據時所需要的電流分別是29 mA和24 mA，也維持在一個比較低的水平。CC2530集成了12位模數轉換器，可以將壓力傳感器發出的電壓信號轉換成處理器可以識別的數字信號，并將轉換之后的數字信號通過DMA傳輸到存儲器進行保存。

3）射頻模塊。傳感器節點采用ZigBee無線通信上傳信息，CC2530不僅可以作為控制核心，由于其為ZigBee提供了完善的片上SOC解決方案，因此CC2530還要充當射頻芯片，其通信頻率為2.4 GHz。井下工作環境較差，空間狹小且障礙物較多，因此采用范圍擴展器CC2591與CC2530配合使用，提高通信距離，保證無線通信的穩定性。

2.2 數據采集分站設計

數據采集分站結構如圖3所示。數據采集分站主要由射頻模塊、微控制器、觸摸屏以及通信模塊構成。射頻模塊依然由CC2530和CC2591組成，負責接收來自傳感器節點的信息；但是由于數據采集分站需要處理的數據量較大，所以CC2530不再作為控制核心，微控制器選用32位嵌入式芯片STM32F103VET6，該芯片的主頻可以達到72 MHz，性能強大，CC2530和STM32微控制器通過SPI總線完成通信；數據采集模塊將各位置壓力信息匯總后通過RS485總線傳輸至上位機；工作人員也可以通過觸摸屏實時監測各位置的壓力信息并可以發出控制命令。

圖3 數據采集分站硬件結構圖

3 壓力監測系統軟件設計

3.1 井下無線通信機制研究

由于煤礦井下巷道較為狹長，對無線通信距離有著較高要求，本文在ZigBee通信“多跳”特性的基礎上提出了線性接力傳輸方式。井下無線通信機制如圖4所示，首先給每個傳感器節點設定一個唯一確定的地址，將數據采集分站作為ZigBee通信網絡的協調器，并把其地址設置為0×0000，把距離數據采集分站最近的1號傳感節點的地址設置為0×0001，然后其他節點的地址依次類推。完成對傳感器節點的初始化工作之后，所有節點開始默認等待接收同步時間。首先由數據采集分站向1號傳感器節點發送同步時間命令，1號傳感器節點在收到同步時間命令后一方面回傳給數據采集分站一個應答指令，另一方面也會根據命令啟動睡眠定時器，然后將時間同步命令發送給下一個傳感器節點，即2號節點；2號節點在收到同步時間命令后的處理程序與前者一致，并且1號節點在收到2號節點發送的應答指令后會轉換到接收狀態，用于接收2號節點發出的指令；隨后的節點不斷轉發同步時間命令，直到發送至最后一個傳感器節點N。

圖4 井下無線通信機制示意圖

傳感器如果發送10次同步時間命令后仍沒有收到應答指令，即確認其為最后一個節點，并將其采集的數據傳輸至上一個，即N-1號節點，N-1號節點在接收到信息后會給N號節點發送一個應答信號，N號節點接收到應答信號確認其發送的信息已被接收后即進入睡眠模式；然后N-1號節點將自身采集到的數據以及N號節點采集到的數據打包發送至N-2號節點，并重復上述過程，這樣以此類推，所有節點采集到的壓力信息就都被傳輸到數據采集分站中。

3.2 傳感器節點軟件優化設計

要降低無線傳感器功耗，提高使用壽命，除了在硬件設計上選用低功耗芯片外，在軟件設計方面也需要進行低功耗優化。軟件程序需要重點進行優化的環節有三部分，包括信息收發程序、時間同步通信機制程序以及控制器調度程序。節點的工作流程如圖5所示。

傳感器節點通過無線通信收發數據是該裝置工作過程中功耗最大的環節，要降低該環節的功耗首先是要取消故障節點的數據收發能力，當節點由于故障無法完成正常通信后，即將該節點的工作模式由網絡模式轉換到單機模式，在單機模式下的傳感器節點能夠正常采集數據，但是無法完成數據的收發，而無線通信網絡中的其他節點也不再使用該節點轉發數據。

引入時間同步通信機制本身就可以降低無線傳感器節點的功耗。這是因為射頻模塊在收發數據時所需要的功耗很高，而在睡眠模式下功耗很低；為了降低功耗就需要無線傳感器網絡在較短的時間完成通信，其他時間都進入睡眠模式，時間同步機制能夠保證同時喚醒節點，在快速完成通信后同時進入睡眠狀態，這樣在保證低功耗的同時還能使各無線傳感器節點之間的功耗平衡。

CC2530作為控制核心，主要采用中斷的方式調用子程序，從而減少主循環程序中輪詢的子程序數量，模數轉換程序即采用中斷處理方式，控制器只有在采集到數據時才會調用程序進行轉換，不需要轉換數據時就直接進入待機模式，從而降低了處理器的功耗。

4 功耗測試

無線傳感器節點的工作流程為：被喚醒、采集數據、接收數據、發送數據、進入睡眠狀態。在這5個環節中，CC2530的工作電流并不相同，采集數據的工作電流I1為12.8 mA，接收數據的工作電流I2為35 mA，發送數據時的電流I3為53 mA，睡眠狀態的電流I4為0.001 mA，數據顯示時的電流I5為45 mA。

在一個數據周期T內數據采集時間T1=200 ms、數據接收時間T2=2 s、數據發送時間T3=15 ms、命令轉發時間T4=1.5 ms、指令接收時間T5=2 s、數據顯示時間T6=5 s。其余時間節點處于睡眠狀態，睡眠狀態時間T7=T-（T1+T2+T3+T4+T5+T6）。

將一次周期時間T設定為30 min，那么一個周期內單節點的電量消耗計算公式如下：

代入數據計算得Q1=145165.2836 mA·ms。

由于單節點的周期為30 min，所以每天需要完成48個周期，設定工作人員每天查看10次數據，因此一天消耗的電量計算公式如下：

代入數據計算得Q'1=2.56 mA·ms。

由于無線傳感器節點的電池電量為2.4 A·h，假設電池的轉換效率為80%，即電池實際可用電量為1.92 A·h，因此無線傳感器節點可以連續工作750 d，完全滿足現場要求。

5 結語

基于ZigBee無線通信的壓力監測系統可靠性高、布線難度低，解決了煤礦井下壓力有線監測系統存在的問題。該系統引入了時間同步機制，降低了功耗，經過計算，無線傳感器節點的使用壽命能夠滿足煤礦井下要求。