0 引言

　　煤礦井下復雜的工況環(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，易造成主機負荷重,，系統(tǒng)不穩(wěn)定,，實時性差，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),，實現(xiàn)井下支護設(shè)備應(yīng)力監(jiān)測的全面性,、實時性。

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)用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行分散控制,、集中管理的一種綜合型計算機網(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)點層,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　采集節(jié)點層即終端節(jié)點，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,，負責壓力數(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)點是無線通信的中繼器,，負責數(shù)據(jù)和命令的自動中繼傳輸，以擴大分布式無線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍,。集中控制層的協(xié)調(diào)器負責無線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護,，實現(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),，下行傳送上位機指令,。

　　監(jiān)控中心層的傳輸接口在井上通過CAN總線下達命令，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軟件讀取實時壓力數(shù)據(jù)、繪制實時曲線,、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測。

2 采集節(jié)點硬件設(shè)計

　　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求數(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)點硬件組成如圖2,，供電模塊為整個終端節(jié)點提供電源，是其他功能實現(xiàn)的前提,；傳感器模塊負責采集壓力計數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換并將處理的二進制數(shù)通過GPIO端口傳送給主芯片,；主芯片負責數(shù)據(jù)的存儲和終端節(jié)點本身采集的數(shù)據(jù)；ZigBee模塊要實現(xiàn)命令的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送,，與路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器進行通信,。

　　主芯片選用STM32F103中等容量增強型，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)點設(shè)計,。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，當設(shè)備斷電時時鐘模塊正常工作,。無線模塊選用增強型ZigBee,，用戶通過AT指令集來進行各種操作。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)正常運行需要為終端節(jié)點,、路由節(jié)點、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)計依據(jù)GB3836爆炸性環(huán)境系列標準[5]，終端采集節(jié)點為保證低功耗,，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，在需要實現(xiàn)模塊功能時,，主芯片IO端口控制MOS管導通供電,，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)點提供穩(wěn)定的電壓源,。電源輸入端正負極短接TVS管用以過壓保護，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[6],。電源正端串接PTC熱敏電阻進行過流過載電路保護，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),，保護電路不受破壞,。故障排除后，PTC自動恢復至低阻態(tài),，電路恢復正常工作,。

　　終端節(jié)點采用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稱阻值為1 Ω的PTC提供短路保護,。防爆試驗中,，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

　　井下巷道的分布大都呈線型結(jié)構(gòu),，工作面上的支護設(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,。終端節(jié)點數(shù)據(jù)格式和上位機指令格式見表1,、表2。其中上位機功能碼有4個：0X01讀取傳輸接口數(shù)據(jù),；0X02廣播更改終端節(jié)點的時間,；0X03更改協(xié)調(diào)器編號；0X04設(shè)置安裝終端節(jié)點,，以方便在協(xié)調(diào)器節(jié)點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,，協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程如圖5。在節(jié)點中各模塊初始化完成后需要建立ZigBee網(wǎng)絡(luò),，路由節(jié)點,、終端節(jié)點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,。此外,，下行通信可以向下傳送主機的命令指令，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,。

　　3.2 終端節(jié)點

　　終端采集節(jié)點上載有3個通道壓力傳感器,，負責數(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)點上電后,，無線模塊自動進行初始化,，然后請求加入無線網(wǎng)絡(luò)。

　　當協(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ID的信號,，ID編號具有唯一性,，以實現(xiàn)點對點通信,，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)點后節(jié)點休眠，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,，當按下按鍵時,，數(shù)碼管輪詢顯示當前終端節(jié)點編號、時間間隔,、實時壓力數(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)點呈鏈狀分布,，為驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性，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)點和路由節(jié)點懸掛于墻壁上,。協(xié)調(diào)器節(jié)點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)點外接電位計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,，巡檢周期2.4 s,。采集節(jié)點連續(xù)運行一周后，其中一個模擬傳感器的實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，方便直觀地對測點進行監(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)庫中導出Excel歷史數(shù)據(jù)表，如圖9,，方便技術(shù)人員分析測點數(shù)據(jù)，制定合理的生產(chǎn)計劃,。

　　經(jīng)連續(xù)運行模擬測試,，上位機實時記錄壓力數(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,，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)布線復雜、維護困難的問題,，各采集節(jié)點相互獨立,，可靠性高。經(jīng)實驗驗證,，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，可實現(xiàn)壓力變化的實時監(jiān)測,，提升了礦井頂板塌方災(zāi)害的感知能力,，促進了安全生產(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際使用驗證,。

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