基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

李志杰

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025）

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，利用太陽能板作為供電來源，SQLserver2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫硬件，C#作為上位機(jī)，無線接收模塊采用Nordic公司推出的單片UHF無線收發(fā)芯片nRF40芯片，nRF40芯片以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)，通過與太陽能板相連，實(shí)現(xiàn)太陽能對(duì)無線接收模塊的間歇供電，有效地降低功耗。采用MSP430系列單片機(jī)作為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的CPU，MSP430系列單片機(jī)具有多種工作模式，在不同運(yùn)行環(huán)境中切換成不同工作模式，有效避免空閑模塊浪費(fèi)能量，大大降低功耗[2]。MSP430F135單片機(jī)用于數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)，MSP430149單片機(jī)用于系統(tǒng)中繼器節(jié)點(diǎn)，MSP430F135單片機(jī)與MSP430149單片機(jī)的相互配合，可大大提高自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)硬件系統(tǒng)，大致分為無線采集終端、傳感器、采集計(jì)算機(jī)及服務(wù)器，這四部分。基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)硬件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)“感、傳”功能，即負(fù)責(zé)“感知”礦井壁物理量數(shù)據(jù)的變化，同時(shí)將變化的數(shù)據(jù)“傳輸”出去。由于礦井壁常常發(fā)生形變，無線采集終端可以準(zhǔn)確全面地檢測(cè)其形變量，通過傳感器將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，采集計(jì)算機(jī)及服務(wù)器通過對(duì)傳感器呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來確定礦井壁的形變量是否處于安全域值內(nèi)。

通過電路將無線采集終端、傳感器、采集計(jì)算機(jī)及服務(wù)器進(jìn)行連接，電源開啟后，無線采集終端中的單片UHF無線收發(fā)芯片開始動(dòng)作，從而完成基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)接收與分析軟件構(gòu)成，最后通過數(shù)據(jù)圖形化來形象的展示礦井壁形變。

數(shù)據(jù)采集軟件以無線采集終端為基礎(chǔ)，電源開啟后，無線采集終端的中繼器節(jié)點(diǎn)發(fā)送開始指令，其后續(xù)終端節(jié)點(diǎn)開始動(dòng)作，全面地檢測(cè)礦井壁形變量。首先數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后數(shù)據(jù)接收軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)接收軟件的運(yùn)行基礎(chǔ)是MSP430系列單片機(jī)。數(shù)據(jù)接收軟件完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、打包等處理后，再次發(fā)給無線采集終端的中繼器節(jié)點(diǎn)，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。最后將二次處理后的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)分析軟件，分析當(dāng)前礦井壁的形變量是否超出于安全域值。

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有單、多曲線繪制功能，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)變化，進(jìn)行曲線繪制，為礦井壁形變提供可視化數(shù)據(jù)，圖像與數(shù)據(jù)結(jié)合，確保自動(dòng)檢測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確性。

通過對(duì)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件、軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了保證本文提出的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)效率對(duì)比試驗(yàn)。采用傳統(tǒng)有線檢測(cè)系統(tǒng)作為比較對(duì)象，通過多次對(duì)比檢測(cè)礦井壁的不同形變復(fù)雜度，將兩種檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總，同時(shí)呈現(xiàn)在同一數(shù)據(jù)圖表中進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了消除礦井壁形變與礦井自身特性對(duì)試驗(yàn)造成的影響，采用仿真試驗(yàn)的方式，通過仿真模擬礦井壁不同形變復(fù)雜程度，進(jìn)行檢測(cè)效率分析。

采用science仿真軟件，模擬礦井正常工作狀態(tài)，搭載常規(guī)有線檢測(cè)系統(tǒng)和本文設(shè)計(jì)的無線檢測(cè)系統(tǒng)。模擬參數(shù)相同的礦井，可以避免不同參數(shù)帶來的對(duì)比分析誤差，仿真的礦井參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)表

3.2 結(jié)果分析

利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工具，得出檢測(cè)效率對(duì)比曲線如圖1所示。

根據(jù)檢測(cè)效率對(duì)比曲線得出，傳統(tǒng)有線檢測(cè)系統(tǒng)，隨著礦井壁形變復(fù)雜程度增加，檢測(cè)效率有所下降，無法對(duì)復(fù)雜的形變進(jìn)行有效檢測(cè)。

然而本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)形變復(fù)雜度不同的礦井壁，都能夠有較高的檢測(cè)效率，不隨著礦井壁形變程度增加而降低檢測(cè)效率。通過對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差均值處理，得出基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)較傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)效率提高37.5%。

圖1 檢測(cè)效率對(duì)比曲線

4 總結(jié)

本文提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件、軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井壁安全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。

結(jié)合仿真試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)具有切實(shí)的可行性，能夠有效檢測(cè)礦井壁形變，確保礦井壁安全性。希望本文能為礦井壁形變檢測(cè)提供參考依據(jù)。