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井下分布式無線應力監(jiān)測系統(tǒng)設計
姬海超1,,王曉榮1,,蓋德成2
(1.南京工業(yè)大學 自動化與電氣工程學院,,江蘇 南京211816,;2.青島本末巖控技術有限公司,山東 青島266590)
摘要: 為解決煤礦下現(xiàn)有集中式控制應力監(jiān)測系統(tǒng)可靠性差,、施工困難的問題,,基于分布式控制無線傳感器網(wǎng)絡,設計了適用于煤礦下復雜環(huán)境的分布式應力監(jiān)測通信系統(tǒng),,詳細介紹了系統(tǒng)總體結構,、硬件電路及軟件設計。以分布式無線ZigBee為核心設計無線終端采集節(jié)點,,實時獲取井下支護設備應力,。協(xié)調器節(jié)點數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳至上位機后進行數(shù)據(jù)處理,。實驗測試表明,系統(tǒng)實時性好,,可靠性強,,能夠滿足實際監(jiān)測需求。
中圖分類號: TD76
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.012

中文引用格式: 姬海超,,王曉榮,,蓋德成. 井下分布式無線應力監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子技術應用,2015,,41(9):45-47,,59.
英文引用格式: Ji Haichao,Wang Xiaorong,,Gai Decheng. Design of distributed wireless stress monitoring system of coal mine[J].Application of Electronic Technique,,2015,41(9):45-47,,59.
Design of distributed wireless stress monitoring system of coal mine
Ji Haichao1,Wang Xiaorong1,,Gai Decheng2
1.College of Automation and Electrical Engineering,,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,,China,; 2.Qingdao Ins.& Outs.Strata Control Tech Co.Ltd.,Qingdao 266590,,China
Abstract: To overcome the problem of less reliability and construction difficulty in centralized control system of stress monitoring, an approach of distributed control system based on wireless sensor network for stress monitoring is proposed. The system framework, hardware circuit and software design are described in detail. Based on distributed wireless ZigBee, terminal sensor node is designed to obtain the dynamic stress data in real time. The data in coordinator are uploaded to master computer through CAN bus and then to be processed. Testing result shows that the system has good real time ability, high reliability and can meet the practical demand of stress monitoring.
Key words : coal mine,;distributed control;stress monitoring,;wireless sensor network,;communication system

  

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)絡整體架構,,采用新型集成無線射頻模塊組成分布式傳感器網(wǎng)絡,形成無線分布式控制的井下應力監(jiān)測系統(tǒng),,實現(xiàn)井下支護設備應力監(jiān)測的全面性,、實時性。

1 分布式控制系統(tǒng)結構

  分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System,,DCS)是應用計算機技術對生產(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)結構如圖1所示。

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  采集節(jié)點層即終端節(jié)點,,是構成監(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)絡的通信范圍,。集中控制層的協(xié)調器負責無線網(wǎng)絡的建立與維護,實現(xiàn)無線通信和有線通信的協(xié)議轉換,,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,,匯總若干通信分站的數(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)點硬件設計


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  監(jiān)控系統(tǒng)設計要求數(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理,。應力信號轉換為電壓信號,為提高采樣精度,,要通過調理電路放大微弱的電壓信號[4],。設計采用低功耗的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備,。

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  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,,由單個增益設置電阻進行增益編程,,因此能夠得到很好的靈活性。A/D轉換電路如圖3,,其中電容,、電阻構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


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  系統(tǒng)正常運行需要為終端節(jié)點、路由節(jié)點,、協(xié)調器提供所需能量,,系統(tǒng)供電如圖4。井下電路的本質安全設計依據(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直流12 V,再通過LM7805轉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)軟件設計

  井下巷道的分布大都呈線型結構,工作面上的支護設備,、液壓支架等分布距離較小,,考慮設備的特殊布局和節(jié)點能耗不等的問題,系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構,。

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  路由節(jié)點初始化后,,自動加入?yún)f(xié)調器已經(jīng)建立好的通信網(wǎng)絡并建立路由表[7]。其無線模塊供電后,,能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉功能,,將采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)匯總后轉發(fā)給協(xié)調器,接收協(xié)調器發(fā)過來的指令信息后轉發(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)調器編號,;0X04設置安裝終端節(jié)點,,以方便在協(xié)調器節(jié)點上的液晶屏顯示通信狀態(tài)。

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  3.1 協(xié)調器

  協(xié)調器作為無線網(wǎng)絡傳輸?shù)膮R聚中心,,是整個分布式控制無線網(wǎng)絡的核心[8],。每個分布式ZigBee網(wǎng)絡只能有一個協(xié)調器節(jié)點,協(xié)調器節(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,,路由節(jié)點,、終端節(jié)點搜索信道后申請加入,協(xié)調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)議轉換把數(shù)據(jù)包發(fā)送給分布式網(wǎng)絡的所有節(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。

  當協(xié)調器接收到請求信號后會返回一個包含協(xié)調器ID和對應終端節(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)絡中斷數(shù)據(jù)丟失,然后通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調器或就近的路由節(jié)點后節(jié)點休眠,,保持低功耗,。

  數(shù)顯模塊驅動采用內部自帶鍵盤掃描接口的LED驅動芯片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,,結束后自動關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。

參考文獻

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