基于低功耗無線傳感網絡的應力在線監測系統設計

朱 凱，張艷東

（濟寧礦業集團有限公司安居煤礦，山東 濟寧 272100）

0 引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓已經成為威脅煤礦安全生產的重要因素。應力在線監測是煤礦沖擊地壓監測系統的一個主體部分，通過實時在線監測采煤工作面的應力變化實現沖擊地壓危險區和危險程序的預警［1－6］。目前，市面上較先進的應力在線監測系統多采用有線傳輸、無線點對點傳輸、ZigBee自組網傳輸［7－10］。有線傳輸準確、可靠，但安裝布線麻煩，增加工人的勞動強度。無線點對點傳輸不能組網，不適于大容量布置測點，且網絡穩定性差。ZigBee自組網傳輸安裝方便［11］，但不支持移動自組網［12］，網絡級跳受限，不適于長距離遠傳，且功耗較高，需經常更換電池。由于煤礦井下經常停電檢修會造成數據傳輸中斷，數據會存在丟失現象，影響了監測的連續性，不利于分析工作面應力變化趨勢。傳統的應力在線監測還存在著監測精度低、受安裝精度影響較大的缺點。

本文將從降低鉆孔應力傳感器的功耗、提高測量精度、保證監測的連續性方面出發，進行應力在線監測系統的設計。主要給出系統的總體結構及各組成部分的硬件設計及軟件設計。

1 系統總體結構

應力在線監測系統結構如圖1所示，由無線鉆孔應力傳感器、紅外遙控發送器、數據傳輸分站、數據傳輸接口、監控主機組成。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

為方便工人維護，無線鉆孔應力傳感器通過紅外遙控發送器可現場修改編號。無線鉆孔應力傳感器通過無線、自組網的方式將數據傳輸到數據傳輸分站，數據傳輸分站將接收到的數據處理、顯示、報警，并通過RS485通信發送到數據傳輸接口，數據傳輸接口將數據打包通過環網交換機上傳到地面監控主機。地面監控主機可實時監測應力數據變化，并通過應力云圖直觀展示和預警。

2 系統硬件

2.1 鉆孔應力傳感器

鉆孔應力傳感器用于實時監測回采工作面前方煤巖體相對應力場的變化規律和掘進迎頭后方煤層塑化規律，揭示巖層運動與支承壓力、鉆屑量與鉆孔應力之間的關系。鉆孔應力傳感器主要由鉆孔應力表、應力計、壓力轉換件組成。

傳統油枕式應力計的測量精度受安裝角度影響較大，必須保證應力計水平放置，才能達到最佳的監測效果。為解決該問題，本文對鉆孔應力傳感器的結構進行了改進，在原有2片應變片的基礎上，再增加2片應變片，垂直焊接，采用十字交叉式的結構，應力計由2個受力方向增加到4個受力方向，可以有效地解決安裝角度對測量精度的影響。十字交叉式應力傳感器選取特殊金屬材質及自動激光焊接工藝加工而成，壓力轉換件及應力計各連接點采用全自動焊接技術，有效地杜絕應力計漏油現象，具有靈敏度高、測量精度高、壓力保持好、承壓能力強、質量可靠的優點。

鉆孔應力表硬件組成如圖2所示。鉆孔應力表由光控電路、信號放大電路、AD轉換電路、數碼管顯示電路、無線通信電路、主控器、可控電源電路組成。鉆孔應力表采用低功耗模塊化設計，電源管理分主控器選擇STC的STC8A4K60S2A12芯片，該芯片具有省電模式，功耗低至5μA。無線通信模塊采用休眠模式，休眠時功耗僅為0.5μA。主控器在不工作時自動進入省電模式，由外部中斷或者無線模塊的引腳上升沿喚醒后進入工作模式，可以最大程度節約功耗。

圖2 鉆孔應力表硬件結構Fig.2 Hardware structure of borehole stress meter

鉆孔應力表由3節LR20南孚電池串聯供電，額定電壓4.5 V，為保證電池供電時間，電源芯片選擇低壓差穩壓芯片RT9193－3.3 V，僅需0.1 V壓差即可正常工作，最大輸出電流100 mA，具有控制引腳，可以由主控器控制開通和關斷。采用4路可控電源電路設計主要是為了實現低功耗，對不同電路供電分開控制，電源1為主控器、光控電路供電，電源2為無線通信電路供電，電源3為數碼管顯示電路供電，電源4為壓力傳感器、信號放大電路、AD轉換電路供電。壓力傳感器選擇BY－1－KJ型，量程0～60 MPa，靈敏度1.5 mV，供電電壓為3.3 V。壓力傳感器輸出差分電壓信號范圍為0～4.95 mV，運算放大器選擇單電源供電的OP07，運算放大器選擇放大倍數為500倍。經放大后的信號電壓范圍為0～2.475 V，送入12位AD轉換電路，由AD轉換電路轉換得到數字信號送入主控器，實現對鉆孔應力的采集，量程為0～60 MPa，測量精度為0.1 MPa。

2.2 數據傳輸分站

數據傳輸分站主要由主控器、2.8 in液晶顯示屏、RS485通信電路、無線通信電路、掉電存儲電路、時鐘電路、聲光報警電路組成。主控器選擇IAP15W4K58S4，具有4路串口，可滿足通信要求。RS485通信電路選擇立功科技的RSM3485PHT模塊，可以將TTL信號轉換為RS485信號，可實現自動流控，無需單獨控制485的傳輸方向，具有通信穩定、傳輸距離遠、無線通信電路采用WaveMesh自組網的管理模塊，供電電壓為3.3 V，通過串口與主控器之間進行數據傳輸。掉電存儲電路采用W25QF128存儲器件，存儲空間為16 MByte，可以滿足數據存儲要求。為保證上傳數據的時標，設計了時鐘電路，選用DS1302芯片。

數據傳輸分站具有無線數據采集功能，最大可采集128臺鉆孔應力傳感器的數據，可實時顯示在線的應力傳感器數據，當應力數據達到預警時，現場可發出聲光預警信號。分站液晶屏可以顯示與數據傳輸接口的通信狀態，當前分站號，以及應力傳感器的狀態是否正常。分站具有RS485通信接口，將采集的數據打包發送到數據傳輸接口，最遠傳輸距離為2 km。為保證系統數據監測的連續性，分站采用18 V不間斷電源供電，分站具有數據存儲功能，當與主站通信中斷時，分站可存儲不小于8 h的數據，當通信恢復時自動續傳，保證了通信中斷時數據不丟失。

2.3 數據傳輸接口

為將分站采集數據傳輸到地面主機，設計了數據傳輸接口。數據傳輸接口具有RS485接口與分站通信，將RS485信號轉換為以太網信電信號，通過Socket連接與地面主機通信，最大通信距離為10 km。

2.4 紅外遙控發送器

紅外遙控發送器具有修改鉆孔應力傳感器編號的功能。紅外遙控發送器由2.8 in液晶屏、3×3矩陣鍵盤、紅外發射電路組成。紅外發射電路如圖3所示，由主控器產生38 kHz方波驅動，主控器通過串口調制發送數據。

圖3 紅外發射電路Fig.3 Schematic of infrared emission

3 系統軟件

3.1 數據采集程序設計

數據采集流程圖如圖4所示。

圖4 數據采集流程Fig.4 Data acquisition flow chart

應力在線監測系統的數據采集由分站控制，分站按1 min周期向無線管理模塊發送數據集采指令，當無線管理模塊收到集采指令后，向下廣播指令，將鉆孔應力傳感器的無線模塊喚醒，無線模塊通過上升沿觸發主控器進入到到工作模式，主控器采集數據，進行濾波處理，并與上周期采集的數據對比，若數據有變化則發送給無線模塊，發送完成后關閉傳感器電源，進入到低功耗模式，若無變化則不發送，以降低功耗。分站接收到傳感器上送的數據后進行分析處理顯示，若超過預警閥值，則發出聲光預警信號。

3.2 數據傳輸程序設計

地面主機通過以太網采集井下鉆孔應力數據，地面主機每隔1 min建立一次鏈接，主動向分站發送輪詢指令，分站接收到指令后，將實時數據打包上傳。為保證數據傳輸可靠，分站上傳數據幀增加了CRC校驗和數據個數校驗，主機接收到數據后進行解析，若數據個數和檢驗碼均正確，存儲該幀數據，并向分站發送數據確認幀，本次數據傳輸結束，主機斷開鏈接。若主機接收到的數據個數或校驗碼不正確，分站會繼續上傳該幀數據。

3.3 低功耗設計

由于鉆孔應力傳感器采用電池供電，為了延長傳感器的壽命，本文采用了低功耗設計，主要從無線模塊的休眠與喚醒機制、電路板低功耗2個方面考慮。

數據傳輸分站采用無線管理模塊，其控制無線傳感器節點。為實現無線傳感器節點的低功耗，本文采用同步休眠機制。為了實現網絡內所有節點同時休眠，同時喚醒，由無線管理模塊在工作時間片結束時刻向全網所有節點逐級廣播本次休眠的時間長度，各相鄰無線節點現時間片的同步。同步休眠模式下相鄰節點間的時間片的誤差低于1 ms，可以在工作時間片起始時刻立即進行數據傳輸，不需要進行無線喚醒或其它的同步操作。經過試驗測試，在休眠模式下，無線模塊的功耗低至0.1μA。

鉆孔應力傳感器正常時處于休眠模式，僅保留無線模塊和主控器的供電，其余電源均關閉。在數據集采、光照或者按鍵觸發時主控器進入到工作模式，待數據采集、顯示、發送完成后傳感器再次進入到休眠模式。實際測試發現，傳感器待機電流低于0.5 mA，工作電流低于30 mA，3節南孚LR20型號電池串聯可有效工作12個月以上，極大了延長了傳感器的使用壽命。

4 結束語

本文主要從系統結構設計、硬件系統設計、軟件算法實現3個方面介紹了基于低功耗無線傳感網絡的應力在線監測系統，實現了對井下應力的在線監測。本文改進了應力計的結構，提高了應力的監測精度，在系統低功耗方面給出了硬件和軟件的解決方案。該系統通過實際測試發現，具有測量精度高、功耗低、維護量小、容量大、運行穩定的優點，具有很好的應用價值。通過應力在線監測系統的應用，可以有效地避免沖擊地壓事故的發生，當出現壓力監測異常時可及時報警，采取泄壓解危措施，保證企業安全生產。