0 引言

　　煤礦井下復(fù)雜的工況環(huán)境存在諸多如頂板斷裂、支架變形、巷道底鼓、頂板離層等安全隱患[1]。為安全生產(chǎn)， 我國已有部分煤礦建立了煤礦巷道安全監(jiān)測系統(tǒng)，但早期集中式控制的礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)，其控制任務(wù)過于集中，易造成主機(jī)負(fù)荷重，系統(tǒng)不穩(wěn)定，實(shí)時性差，而且大多采用電纜連接監(jiān)測設(shè)備，致使井下布線繁雜，移動不便，系統(tǒng)成本高[2]。一旦串聯(lián)的通信電纜發(fā)生故障，監(jiān)測系統(tǒng)就會癱瘓。因此，本文提出分布式控制無線網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)，采用新型集成無線射頻模塊組成分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成無線分布式控制的井下應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下支護(hù)設(shè)備應(yīng)力監(jiān)測的全面性、實(shí)時性。

1 分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行分散控制、集中管理的一種綜合型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般分為現(xiàn)場層、控制層、監(jiān)控層和管理層四層[3]。每個層級都有對應(yīng)的功能，層級之間可以相互通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　分布式無線控制應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)分為井上和井下兩個部分，井上為監(jiān)控中心層，井下為集中控制層和采集節(jié)點(diǎn)層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　采集節(jié)點(diǎn)層即終端節(jié)點(diǎn)，是構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)的基本單元，安裝在井下頂板、液壓支架、錨固設(shè)備上，負(fù)責(zé)壓力數(shù)據(jù)采集、存儲，并將數(shù)據(jù)傳到集中控制層的協(xié)調(diào)器中。路由節(jié)點(diǎn)是無線通信的中繼器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和命令的自動中繼傳輸，以擴(kuò)大分布式無線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。集中控制層的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)無線通信和有線通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過CAN總線上行傳送壓力數(shù)據(jù)，下行傳送上位機(jī)指令。

　　監(jiān)控中心層的傳輸接口在井上通過CAN總線下達(dá)命令，匯總?cè)舾赏ㄐ欧终镜臄?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至中央處理平臺。監(jiān)測管理人員可以通過上位機(jī)軟件讀取實(shí)時壓力數(shù)據(jù)、繪制實(shí)時曲線、查詢歷史數(shù)據(jù)、打印報表等，也可發(fā)送控制命令，方便對井下壓力情況的分析和預(yù)測。

2 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)采集、通信的穩(wěn)定性，也要考慮到無線傳輸距離、器件的防爆性能。終端節(jié)點(diǎn)硬件組成如圖2，供電模塊為整個終端節(jié)點(diǎn)提供電源，是其他功能實(shí)現(xiàn)的前提；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集壓力計(jì)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換并將處理的二進(jìn)制數(shù)通過GPIO端口傳送給主芯片；主芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和終端節(jié)點(diǎn)本身采集的數(shù)據(jù)；ZigBee模塊要實(shí)現(xiàn)命令的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送，與路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

　　主芯片選用STM32F103中等容量增強(qiáng)型，工作電壓是1.8~3.6 V，其低功耗適用于電池供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。存儲模塊選用M25P16，容量2 MB，與主芯片之間采用SPI通信。時鐘芯片選用DS1302，其與主芯片通過3根信號線連接，采用電源3.3 V和紐扣電池供電，兩種供電方式不同時供電，紐扣電池作為備用電源，當(dāng)設(shè)備斷電時時鐘模塊正常工作。無線模塊選用增強(qiáng)型ZigBee，用戶通過AT指令集來進(jìn)行各種操作。傳感器采用CLY型壓力傳感器，其內(nèi)置阻抗大，功耗低，監(jiān)測范圍寬，穩(wěn)定性好，性價比高。

　　2.1 傳感器信號調(diào)理電路

　　傳感器數(shù)據(jù)采集是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心，傳感器的測量精度和穩(wěn)定性取決于信號的采集和調(diào)理。應(yīng)力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，為提高采樣精度，要通過調(diào)理電路放大微弱的電壓信號[4]。設(shè)計(jì)采用低功耗的AD623芯片，其工作電壓范圍寬，共模輸入范圍可擴(kuò)展到地電平150 mV以下，能夠測量較低或沒有共模部分的小差分信號，更適合電池供電的低功耗設(shè)備。

　　AD623在單電源3.3 V供電下，提供滿電源幅度的輸出，輸出電壓公式為V0=（1+100K/R）Vin+Vref，由單個增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，因此能夠得到很好的靈活性。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3，其中電容、電阻構(gòu)成濾波電路防止射頻干擾。CLY型傳感器由模擬3.3 V隔離供電，壓力傳感器信號接入AD623輸入端，經(jīng)過運(yùn)放處理輸出的放大信號接入CPU，最大工作電流小于10 mA，功率小于1/3 W。

　　2.2 供電模塊

　　系統(tǒng)正常運(yùn)行需要為終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器提供所需能量，系統(tǒng)供電如圖4。井下電路的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)依據(jù)GB3836爆炸性環(huán)境系列標(biāo)準(zhǔn)[5]，終端采集節(jié)點(diǎn)為保證低功耗，除主芯片模塊和Flash模塊常供電外，各模塊供電通過MOS管控制，在需要實(shí)現(xiàn)模塊功能時，主芯片IO端口控制MOS管導(dǎo)通供電，功能完成后關(guān)斷以降低功耗。

　　礦下常用127 V交流電，直接使用本安隔爆電源轉(zhuǎn)直流12 V，再通過LM7805轉(zhuǎn)5 V，采用兩級降壓的方法能夠防止一級電源電壓波動造成干擾，為接口和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的電壓源。電源輸入端正負(fù)極短接TVS管用以過壓保護(hù)，同時正極輸入端接2個低壓降低阻抗的二極管，為短路防反接提供雙重保護(hù)[6]。電源正端串接PTC熱敏電阻進(jìn)行過流過載電路保護(hù)，短路時PTC發(fā)熱呈現(xiàn)高阻態(tài)使電路處于相對“斷開”狀態(tài)，保護(hù)電路不受破壞。故障排除后，PTC自動恢復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。

　　終端節(jié)點(diǎn)采用4節(jié)1.5 V的1號串聯(lián)電池組供電，應(yīng)盡可能降低功耗以延長使用壽命。為滿足本安要求，電池組串接一個常溫標(biāo)稱阻值為1 Ω的PTC提供短路保護(hù)。防爆試驗(yàn)中，電池組短路電流不大于5 A，短路發(fā)熱最高溫94 ℃，無漏液現(xiàn)象，適用于井下環(huán)境。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　井下巷道的分布大都呈線型結(jié)構(gòu)，工作面上的支護(hù)設(shè)備、液壓支架等分布距離較小，考慮設(shè)備的特殊布局和節(jié)點(diǎn)能耗不等的問題，系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　路由節(jié)點(diǎn)初始化后，自動加入?yún)f(xié)調(diào)器已經(jīng)建立好的通信網(wǎng)絡(luò)并建立路由表[7]。其無線模塊供電后，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)功能，將采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)匯總后轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，接收協(xié)調(diào)器發(fā)過來的指令信息后轉(zhuǎn)發(fā)給目的終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式和上位機(jī)指令格式見表1、表2。其中上位機(jī)功能碼有4個：0X01讀取傳輸接口數(shù)據(jù)；0X02廣播更改終端節(jié)點(diǎn)的時間；0X03更改協(xié)調(diào)器編號；0X04設(shè)置安裝終端節(jié)點(diǎn)，以方便在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上的液晶屏顯示通信狀態(tài)。

　　3.1 協(xié)調(diào)器

　　協(xié)調(diào)器作為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮R聚中心，是整個分布式控制無線網(wǎng)絡(luò)的核心[8]。每個分布式ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5。在節(jié)點(diǎn)中各模塊初始化完成后需要建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)搜索信道后申請加入，協(xié)調(diào)器自動篩選申請加入的節(jié)點(diǎn)并分配地址建立列表。

　　協(xié)調(diào)器通過CAN控制器ADM3053把接收到的子節(jié)點(diǎn)的ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，然后通過CAN總線、USB數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。此外，下行通信可以向下傳送主機(jī)的命令指令，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)包發(fā)送給分布式網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)。

　　3.2 終端節(jié)點(diǎn)

　　終端采集節(jié)點(diǎn)上載有3個通道壓力傳感器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲和上傳，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。程序流程如圖6，終端節(jié)點(diǎn)上電后，無線模塊自動進(jìn)行初始化，然后請求加入無線網(wǎng)絡(luò)。

　　當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到請求信號后會返回一個包含協(xié)調(diào)器ID和對應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)ID的信號，ID編號具有唯一性，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，防止發(fā)生通信沖突。加入網(wǎng)絡(luò)后，在滿足采集條件時采集并保存數(shù)據(jù)至外部Flash防止網(wǎng)絡(luò)中斷數(shù)據(jù)丟失，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器或就近的路由節(jié)點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)休眠，保持低功耗。

　　數(shù)顯模塊驅(qū)動采用內(nèi)部自帶鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動芯片SM1668，可有效控制亮度來降低功耗。數(shù)碼管的顯示采用按鍵喚醒，當(dāng)按下按鍵時，數(shù)碼管輪詢顯示當(dāng)前終端節(jié)點(diǎn)編號、時間間隔、實(shí)時壓力數(shù)值。顯示時間為3 s，結(jié)束后自動關(guān)閉顯示功能以降低功耗。

4 系統(tǒng)測試與分析

　　井下巷道中節(jié)點(diǎn)呈鏈狀分布，為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，選取長寬高分別為120 m、2 m、3.6 m的走廊模擬巷道，將若干終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)懸掛于墻壁上。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與傳輸接口之間通過CAN總線連接，中間接上10 km雙絞線距離仿真板。走廊內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)外接電位計(jì)模擬壓力傳感器打壓，用示波器測得數(shù)據(jù)波形如圖7，相鄰一組收發(fā)數(shù)據(jù)時間間隔為150 ms，系統(tǒng)模擬16臺采集節(jié)點(diǎn)，巡檢周期2.4 s。采集節(jié)點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行一周后，其中一個模擬傳感器的實(shí)時壓力值部分曲線如圖8。

　　井上工作人員可以設(shè)定壓力上限、下限報警值，方便直觀地對測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控、及時掌握情況并采取相應(yīng)措施保證生產(chǎn)安全。同時可以在Access數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出Excel歷史數(shù)據(jù)表，如圖9，方便技術(shù)人員分析測點(diǎn)數(shù)據(jù)，制定合理的生產(chǎn)計(jì)劃。

　　經(jīng)連續(xù)運(yùn)行模擬測試，上位機(jī)實(shí)時記錄壓力數(shù)據(jù)并繪制曲線，在壓力值不變的情況下監(jiān)測的數(shù)據(jù)基本維持一條水平直線，調(diào)節(jié)電位計(jì)，壓力值曲線也隨之改變并保存歷史數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)丟包的情況，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)采集具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足井下的使用需求。

5 結(jié)語

　　井下分布式控制的無線監(jiān)測系統(tǒng)解決了集中式控制系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護(hù)困難的問題，各采集節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，可靠性高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)滿載時分布式控制通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)巡檢周期為2.4 s，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)壓力變化的實(shí)時監(jiān)測，提升了礦井頂板塌方災(zāi)害的感知能力，促進(jìn)了安全生產(chǎn)。但系統(tǒng)只是通過模擬測試，通信的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)沖突等問題還有待實(shí)際使用驗(yàn)證。

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