基于WaveMesh網絡與STM32的煤礦頂板離層監測系統設計

吳士濤，湯建泉，楊 婕

（1.山東科技大學 智能裝備學院，山東 泰安 271000；2.山東科技大學 采礦工程學院，山東 泰安 271000）

頂板離層是指巷道頂板巖層中一點與其上方一定深度巖層中某一點的相對位移量，當離層達到臨界值時，巷道頂板則會發生冒頂。而頂板離層冒頂則是井下采礦作業常見事故，占井下采礦作業事故40%以上[1-2]。如何準確監測巖層內部離層狀況，及時發現巷道頂板失穩前兆，并作出準確預警，避免事故發生，顯得至關重要。

傳統有線離層監測系統安裝復雜，后期維護困難且成本高昂，無法滿足可持續發展；而當前的無線監測系統，多采用節點中繼且不休眠的工作模式，功耗大且故障率高，信號傳輸也不穩定，導致系統可靠性與實用性降低[3-4]。基于此，設計一款以WaveMesh協議為無線通信網絡和以STM32單片機為主控芯片的煤礦頂板離層監測系統。

1 WaveMesh網絡特點及系統總體設計

1.1WaveMesh網絡特點

WaveMesh是一種簡單、可靠的無線移動自組網網絡協議，具有低功耗、低成本特點[5-6]，其定義了完備的鏈路層和網絡層。

WaveMesh網絡采用分布對等設計，不需中心節點進行路由，每個節點可以獨立運行路由信息。包括集中器和節點在內的所有設備即插即用，節點可以隨意增加或者移除，網絡不需要初始化。相比校ZigBee中心路由節點不能休眠，WaveMesh網絡中所有節點都支持同步、異步等多種休眠機制，能夠給有效地降低功耗[7-8]。此外WaveMesh網絡中節點能夠鏈路質量、網絡拓撲結構的變化自動選擇最優路徑進行數據傳輸，能夠充分利用網絡冗余，具有優異的適應性、自愈性和可靠性[9]。

1.2 系統整體設計

頂板離層無線監測系統由井上部分與井下部分組成。為了后續能夠對監測系統進行升級，在監測頂板離層的基礎上，將錨桿錨索應力監測、支撐壓力監測等融入到系統中，采用主站、從站設計方式，系統結構圖如圖1。

圖1 系統結構圖Fig.1 The diagram of system structure

井下部分用來進行頂板離層偏移量數據采集，主要由頂板離層監測儀、本安型無線監測分站、本安型無線監測主站、防爆電源組成；井上部分進行數據處理，利用軟件解析來顯示、存儲數據，進行相應配置操作或者作出預警。系統各個組成部分具能如下：

1）頂板離層監測儀。內置2個高精度位移傳感器，可以分別測量巷道頂板或兩幫深淺基點離層位移量，每個測量斷面設置3～5個測量點。

2）本安型無線監測分站。匯總1個測量斷面內所有離層儀測量的數據，同時將數據通過無線通信向上傳輸給監測主站，其邏輯上相當于1個通信節點。同時在硬件設計上預留了升級接口。

3）本安型無線監測主站。與監測分站之間通過組網系統進行數據與信息傳輸，用于匯總1個巷道內所有測量斷面監測分站傳輸的數據，并通過光纜將離層數據上傳至井上，在邏輯上相當于1個通信集中器[10]。

4）防爆電源。用于給監測分站和監測主站供電。

5）信息傳輸接口。用于將數據或指令轉換。

2 系統的硬件

2.1 頂板離層儀

頂板離層儀通常安裝在巷道頂板或者兩幫，為了符合井下防爆標準，兼顧安裝方便，采用電池供電且電池不能隨意更換，為此在硬件電路設計上須進行低功耗設計，最大限度降低功耗。頂板離層儀功能框圖如圖2。

圖2 頂板離層儀結構圖Fig.2 The structure chart of roof separation layer

為了既能滿足對離層數據進行采集，又最大限度降低功耗，延長離層儀使用周期，對離層數據進行間隔采集，在采集時間間隔期間，離層儀處于休眠狀態。

1）紅外模塊電路。為了安裝時對離層儀進行校正及參數配置，設計紅外通信電路，通過手持紅外操作器即可完成校正與參數配置工作。其中紅外收發芯片采用低功耗的TFDU6103，編解碼器則采用低功耗、高算速的MCP2012，紅外通信電路如圖3。

圖3 紅外通信電路Fig.3 The infrared communication circuit

2）光敏與顯示模塊電路。為了方便井下及時查看監測點的位移數據以及離層儀電池電壓，離層儀采用就地顯示方式，利用4位共陰極數碼管依次顯示離層儀電池電壓、深淺基點的位移數據，采用74LS164實現片選信號。為了降低離層儀功耗，延長離層儀在井下使用周期，采用光敏觸發方式來實現離層儀就地顯示，即在井下，當使用礦燈或者其他光源照射離層儀時，光敏元件引發中斷，從而喚醒離層儀，數碼管顯示工作狀態，之后離層儀重新進入睡眠狀態，數碼管熄滅。

3）傳感器電路。由于井下工作環境復雜且惡劣，在考慮傳感器測量精度的同時，對傳感器的可靠性與可用性提出了更高的要求，為此采用BOURNS多線圈電電位器3590s-2-103L位移傳感器。利用MCU內部12位A/D轉換器，將傳感器采集的位移參數轉換為數字信號，傳感器模塊電路如圖4。

圖4 傳感器模塊電路Fig.4 Sensor module circuit

2.2 無線監測站

由于無線監測分站與主站同時進行數據處理與多種通信工作，需要控制芯片有很強的運算處理能力，因此采用ST公司的STM32F103VET6作為監測站的主控芯片，監測站結構圖如圖5。

圖5 監測站結構圖Fig.5 The diagram of monitoring station structure

其中，與分站相比，監測主站在硬件部分則多了1個485接口和外部存儲SD，485接口用于和井上進行通信，使用SD卡存儲離層數據。

1）存儲模塊電路。系統存儲主要為2部分：①用來配置系統存儲時間、數據采集模式、采集間隔等參數信息，方便系統上電之后從存儲模塊中讀取參數，快速完成初始化配置，設計在硬件上采用FM24W256芯片，采用SPI總線方式與主控芯片進行讀寫操作；②用來存儲位移參數信息，由于1條巷道中，整個系統安裝的監測點多大幾十個，且工作時長在1～2年，需要存儲數據信息巨量，在存儲方案上選擇便攜式SD卡，存儲模塊電路如圖6。

圖6 存儲模塊電路Fig.6 Storage module circuit

2）時鐘模塊電路。監測主站與分站之間通信間隔、離層儀位移參數采集以及RTC定時喚醒等等工作狀態需要精確時鐘。為了提高系統的穩定性與時鐘精度，使用一款低功耗、工業級時鐘芯片NXP8563T作為系統外部時鐘，時鐘模塊電路如圖7。采用I2C總線方式MCU或STM32進行數據交換，時鐘芯片內部復位低電壓監測、時鐘監聽、報警燈功能，具有非常高的性價比。

圖7 時鐘模塊電路Fig.7 Clock module circuit

3）無線通信電路。針對監測主站與分站之間要進行指令分發與數據傳輸，同時考慮到巷道可能會增加斷面監測，導致分站數量增加，或者某一分站故障等因素，采用基于WaveMesh協議的微功率、低功耗無線自組網模塊，在無線終端增加、減少或者缺失時，能夠重新尋找并覆蓋原始網絡，提高系統運行可靠性，無線通信電路圖如圖8。

圖8 無線通信電路圖Fig.8 Wireless communication circuit

4）電源電路。不論是監測站還是離層儀都包含眾多模塊，各個模塊的工作電壓也有相應要求，為了降低系統的功耗、保證系統工作的穩定性，需要選擇合適的穩壓芯片進行電源電路設計，電源模塊電路圖如圖9。

圖9 電源模塊電路圖Fig.9 Circuit diagram of power supply module

3 系統軟件

3.1 系統主程序

系統采取主從結構設計，即監測主站通過WaveMesh無線網絡向所有分站進行廣播，索要監測數據；分站在獲得指令之后，通過RS485協議與離層儀進行通信，獲取傳感器數據，再通過組網系統向主站發送數據，主站軟件流程圖如圖10。

圖10 主站軟件流程圖Fig.10 Master station software flow chart

由于主站的控制核心采用STM32單片機，所以在上電之后，系統首先要對包括外部中斷、UART、按鍵、顯示、RTC時鐘等進行端口配置；之后從EEPROM中讀取系統包括采集時間周期、本機地址、數據傳輸速率等配置信息，并對系統的外部存儲，實時時鐘進行檢測，利用UART接口與無線通信模塊進行首次握手通信，確保無線通信模塊能夠正常工作，一旦在系統自檢過程中，端口或者外設異常，則會通過LCD顯示進行報錯。

若系統自檢無異常，信息配置成功后，系統自動進行無線組網；當采集周期到達時，主站則通過無線模塊進行全網廣播，索要位移參數；分站接到廣播之后，與離層儀進行通信，獲取傳感器數據，并自動選取最有路徑將數據傳輸給主站，主站同步將數據存儲、顯示并上傳井上。

3.2 無線監測分站程序

無線監測分站在邏輯上相當于1個通信節點，離層儀通過RS485總線與分站直接連接，所以為了減少后期維護，延長使用壽命，在軟件設計上必須進行低功耗設計，即采集間隔內，處于休眠狀態。分站軟件流程圖如圖11。

圖11 分站軟件流程圖Fig.11 Substation software flow chart

同主站一樣，在上電之后，也需要端口配置、自監測等操作，待信息配置成功后，分站MCU則將組網申請命令通過無線節點發送給主站，申請加入網絡，到成功加入網絡之后，等待主站廣播命令，將離層儀位移參數發送給主站。

在組網狀態下，主站無廣播或者數據成功發送之后，分站則自動切斷LCD顯示等外設電路電源，進入休眠狀態；當RTC定時時間到達時，自動喚醒。

3.3 頂板離層儀程序

離層儀軟件主要實現位移參數采集與上傳，聲光報警，數碼顯示等功能，同時也要兼顧低功耗。離層儀軟件流程圖如圖12。

圖12 離層儀軟件流程圖Fig.12 Roof separation software flow chart

在傳感器采集位移數據之后對其進行判斷，一旦頂板離層超過限值，則進行預警；當在井下使用礦燈照射離層儀時，光敏電路觸發中斷，數碼管顯示實時位移值。在得到分站索要數據指令時，通過RS485總線將數據上傳分站，隨后進入休眠狀態。

4 系統測試驗證

以單節點為例搭建頂板離層監測系統，其中頂板離層儀上接無線監測分站，分站通過WaveMesh網絡將節點監測的頂板離層數據傳輸給監測主站，主站將數據存儲到SD卡的同時通過信號轉換裝置上傳至上位機顯示。

為檢驗頂板離層儀數據監測的準確性，通過人為牽動深、淺基點測繩來模擬井下工作面頂板發生位移情況，實驗測量數據結果表明，位移誤差能夠控制在1mm以內，頂板離層儀實驗測量數據見表1。

表1 頂板離層儀實驗測量數據Table1 Experimental measurement data of roof separator

為進一步驗證系統的可靠性與實用性，在山東新汶某煤礦井下進行安裝試驗。在長度為1500m的巷道中，每50m為1個監測節點，共計安裝40個頂板離層，分別對監測節點的深、淺基點變化量進行監測。從2019年8月安裝完成至今，系統運行穩定。現場應用結果證明，基于WaveMesh網絡設計的頂板離層監測系統數據采集可靠、無線傳輸穩定，滿足煤礦巷道頂板位移的監測需要。

5 結 語

基于WaveMesh網絡與STM32設計了煤礦頂板離層監測系統，系統采用主、從站結構，從站與離層儀相接，負責位移數據采集；主站則負責數據存儲及通過光纖與井上通訊，利用WaveMesh低功耗無線自組網網絡實現主、從站間的數據傳輸。系統無需由本安電源供電的中繼器進行信號中繼，具備全網休眠、信號中繼、超低功耗的特點，解決了目前監測系統存在的可靠性、實用性差的問題。