低功耗煤矿压力监测系统设计.pdf

第 4 2 卷 第 2期 2 0 1 6年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 No ． 2 Fe b ． 2 0 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 o 1 6 0 2 0 0 7 3 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 1 9 何群 ， 郝润芳． 低功耗煤矿压力监测系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 7 3 7 6 ． 低功耗煤矿压力监测系统设计 何 群 ， 郝 润芳 a t 原理工大学 信息工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对煤矿井下压力监测 系统有线通信方式存在结构复杂、 传感器功耗 大、 数据不稳定等问题 ， 设计 了基 于 Z i g B e e 的低 功耗 煤 矿压 力监 测 系统 。该 系统采 用低 功耗 压 力 传 感 器采 集数 据 ， 通 过 Z i g B e e无 线 传 输 方式将 传 感 器节 点数据 汇 总到数 据 采集 分站 ， 数据 采 集分站 将数 据打 包处 理后 上传 到上位机 软件 ， 实现 了 井下巷道压力数据 的实时监测， 降低 了传感器的功耗 ， 从而提 高了系统的使用寿命。 关键 词 煤矿 ；压 力监 测 ；矿压 传感 器 ； 低 功耗 ； Z i g B e e 中图分类号 T D3 5 5 ． 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 1 2 6 1 5 5 0 网络出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 1 2 6 ． 1 5 5 0 ． 0 1 9 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 - 2 6 ； 修 回日期 2 0 1 5 1 2 - 2 1 ； 责任编辑 胡娴。 作者简介 何群 1 9 8 9 一 ， 男 ， 辽宁沈 阳人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为嵌入式硬件 ， E ma i l 5 1 4 3 4 7 6 7 3 q q ． c o rn。 图 3 安全信 息化管理系统 矿用本安型无线摄像 机、 矿用巡检 记录仪等无线终 端设备的数据接入， 实现了视频图像 、 语音等的数据 传输 。 参 考 文 献 [1 ] [2 ] 王金华． 矿井主传输 的现状及发 展趋 势[ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 3 3 - 3 5 ． 樊荣 ， 宋文 ， 黄强． 矿井无线通信 系统研究 与发展[ J ] ． 西安科技大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 4 4 7 1 4 7 4 ． [3 ] 徐炜 ， 包建 军． 矿用 T D S C DMA无线 通信 系统及移 动信息 发 布 平 台解 决 方 案 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 1 1 7 - 9 ． [4] 张文 亮 ， 程 绍澜． w i f i 网络通讯技 术在煤 矿井下 的应 用分析[ J ] ． 信息通信 ， 2 0 1 3 2 2 0 5 2 0 6 ． [5] 张登山， 王峰． 煤矿无线通讯技术现状及发展趋势研 究 [ J ] ． 山西煤炭 ， 2 0 1 3 ， 3 3 1 5 0 5 2 ． [6] 曾永华． wi f i 通讯技术在煤矿井下的应用分析E J ] ． 电 子科技 ， 2 0 1 4 2 4 2 7 2 ． [ 7] 刘志高 ， 丁青 青． 基 于 8 0 2 ． 1 I n的多功能无 线传输 平 台的 设 计 与 应 用 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 4 1 1 O一 11 4 ． [ 8] 史明伟． 基 于 I E E E 8 0 2 ． 1 1 硬 件平 台的 T D MA 多址 协议 设 计 与 实 现 [ D ] ． 西 安 西 安 电 子 科 技 大 学 ， 2 01 3． [9 ] 陆洋． WL A N 中 T C P性 能优化研 究[ D ] ． 西安 西安 电子科技大学 ， 2 0 1 4 ． [ 1 0 ] 王加加 ， 杨钏钏 ， 贾伟 岗． 基于 C AN与 4 8 5总线的煤 矿通信网络设计[ J ] ． 电子科技 ， 2 0 1 4 ， 2 7 3 5 5 5 8 ． [ 1 1 ] 邱朋 ． 基 于 C AN总线 的煤矿综合监 控系统 开发研究 [ D ] ． 济南 山东大学 ， 2 0 0 7 ． 7 4 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 De s i g n o f c o a l mi n e p r e s s ur e mo ni t o r i n g s y s t e m wi t h l o w p o we r c o ns u mp t i o n HE Qu n，HAO Ru n f a n g C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e m o f c o mp l e x s t r u c t u r e ，l a r g e p o we r c o n s u mp t i o n o f s e n s o r a n d d a t a i n s t a bi l i t y e xi s t e d i n wi r e d c o m mun i c a t i o n m o d e of p r e s s ur e mo ni t o r i n g s y s t e m of u nde r gr o und c o a l m i n e， c o a l mi n e pr e s s u r e m o ni t or i ng s ys t e m wi t h l ow po we r c on s u m p t i o n b a s e d o n Zi g Be e wa s d e s i gn e d．Th e s ys t e m us e s p r e s s ur e s e ns or wi t h l o w p o w e r c o ns u m p t i o n t o c o l l e c t d a t a，a nd t he d a t a wa s s umm a r i z e d t o s ub s t a t i o n t h r o ug h Zi gBe e wi r e l e s s t r a ns m i s s i on，t he n s u b s t a t i o n upl oa de d t he d a t a t o PC s of t wa r e a f t e r d a t a p a c k a g i n g a n d p r o c e s s i n g ，S O a s t o a c h i e v e r e a l - t i me mo n i t o r i n g o f u n d e r g r o u n d t u n n e l p r e s s u r e d a t a ． I t r e d uc e s p owe r c on s u m p t i o n o f s e n s o r ，a nd t he r e by i nc r e a s e s s y s t e m l i f e． Ke y wo r d s c o a l m i n e；p r e s s ur e mon i t o r i ng；mi ne p r e s s ur e s e ns or ；l ow p owe r c on s u m p t i o n；Zi gBe e 0 引言 在煤矿安全生产 中， 井下压力监测是非 常重要 的环节 ， 煤矿井下压力监测系统可以及时反映井下 巷道围岩压力、 煤柱压 力、 液压 支架压力 的变化情 况。而 目前煤矿井下压力监测系统一般采用有线通 信方式， 具有结构复杂、 传感器 功耗大 、 数据不稳定 等缺点。鉴此 ， 本文设计了一种基于 Z i g B e e的低功 耗煤 矿压 力监 测系 统 。 1 系统 总体设 计 低功 耗 煤 矿压 力 监 测 系统 主 要 由监 控 主 机 、 数 据采集分站、 传感器节点组成L 1 ] ， 如图 1 所示。其 中 监控主机安装在地 面监控室， 用于井上工作人员监 测井下各个位置的压力情况； 数据采集分站安装在 每个巷道的入 口处 ， 用 于管理本巷道内所有传感器 节点并将本巷道内所有节点数据上传到井上监控主 机 ； 矿压传感器为整个系统的最前端 ， 用于实时采集 巷道压力数据并定 时回传给本 节点所属采集分站， 系统主要使用 了矿用顶板应力传感器 、 煤柱应力传 感器 、 液压支架压力传感器。 矿压传感器采集各种压力后 ， 依次将压力数据 通过 Z i g B e e的方式传送到数据采集分站 ， 数据采集 分站将汇总 的所有压力数据通过 R S 4 8 5总线传输 到监控主机 中。井下通信采用 Z i g B e e无线传输方 式 ， 降低了各个传感器节点的功耗和组网复杂度， 大 大提高了传感器电池的使用寿命 。同时也确保 了数 据的可靠安全传输 ， 节约了成本 。 2系统硬 件设计 2 ． 1 低 功耗 传 感 器节点设 计 因为井下压力传感器节点采用电池供电方式 ， 电源 线 I ⋯⋯⋯⋯● 囱 ZigB ee 幽,-----------n ZigB ee 囤⋯ 圈 图 1 压力监测系统结构 所 以采用低功耗设计方案。传感器节点 由数据采集 模块、 数据处理模块、 数据显示模块、 射频模块 、 电源 等组成 ， 如 图 2 所 示 。 墼 塑 卜 外 部 设 备 卜 图 2 传 感 器 节 点 硬 件 结 构 1 数据采集模块。传感器中应变片受 到压力 后 产生 形变 ， 应变 片上 的 电阻丝 同时发生 形变 ， 电阻 大小产生变化 ， 由于压敏电阻的压阻效应 ， 使电桥产 生一个与压力成正 比的高度线性 、 与激励电压也成 正比的电压信 号， 然 后 电压 信号 被送 到数 据处 理 模 块 。 2 数据处 理模块 。为了满 足低功耗要求 ， 传 感 器 节 点 采 用 低 成 本 、 低 功 耗 S O C 芯 片 C C 2 5 3 o作 为控制 核 心 ] 。在 接 收模 式 和 发 送 模 式 下 ， C C 2 5 3 o的电流损耗分别为 2 4 mA和 2 9 mA， 在 睡眠模式下， C C 2 5 3 0消耗的电流仅为 1 A； 利用有 效位数多达 1 2位的 AD C实现对采样数据的模数转 换， 并用 D MA将转换结果写入存储器 ， 从而实现数 2 0 1 6年第 2期 何群等 低功耗煤矿压力监测 系统设计 7 5 据处理功能。 3 射频模块 。系统采用 Z i g B e e的方式进行 数据传输[ 3 ] ， 通信频率为 2 ． 4 GHz ， 为了适应井下复 杂的工作环境 ， 保证 长距离 的通信 以及较低的误码 率 ， 射频模块选用 C C 2 5 3 0芯片 ， 同时辅 以低成本 、 高性能 的射频前端模块 C C 2 5 9 1 ， 实现传感器节点间 的无线通信 ， 进而组成无线传感网络 。 2 ． 2数据 采 集分 站设 计 数据采集分站负责对汇总的传感器数据进行打 包 ， 并发送给上位机， 实现井下与井上数据的相互传 递 。数据采集分站整体结构如图 3 所示。 图 3 数据采 集分站整体结构 3系统软 件设 计 3 ． 1 井 下 通 信 机 制 设 计 为 了适 应 巷 道 的 狭 长 特 性 ， 设 计 了 一 种 基 于 Z i g B e e的线性接力传输 方式。每个 传感器节 点都 有 唯一 的地址 ] ， 数 据采 集分 站 地址 为 0 x 0 0 0 0 ， 第 1 个节点地址为 0 x 0 0 0 1 ， 依此类推。所有节点完成初 始化后 ， 同时进入 等待接收 同步时 间的状态。数据 采集分站发送时间同步命令 给 1号节 点， 1号节点 收到命令后 ， 给数据采集分站返 回 1个应答指令 ， 确 认 已经收到同步时间命令 ， 然后按照同步指令启动 本地睡眠定时器 ， 并将时间同步命令传给 2号节点 ； 2号节点采用与 1号节点相 同的流程 ， 当 1号节点 收到 2号节点的应答信息后 ， 转移 到等待接收 2号 节点数据的状态 ； 然后 ， 2号节点将 同步指令 发送给 3号节点， 依此类推 ， 直 到最后的 N 号节点 ， 因为不 存在 N1号节点 ， 所 以 N 号节点 收不 到应答信 号。当发送 1 0次 同步信后若仍 然无应答 ， 则 N 号 节点发送采集数据给 N一1号节点 ， N一1号节点给 N号节点应答信号后 ， N 号节点进入睡眠状态 。当 N一1 号节点收到 N 号节点 的数据后 ， 将 自己采集 的数据和 N 号节点 的数据打包发送给 N一2号节 点， 然后 ， 依此类推， 最后所有 节点的数据都被打包 发送到数据采集分站； 数据采 集分站将数据进行存 储， 完成本次通信 。井下通信机制如 图 4所示 。 S PI ．， 1 卜． S T M3 2 CC 2 5 3 0 ＼r _ ] ／ 图 4 井 下通信机制 3 ． 2 节点 的低功 耗软 件设 计 因为井下各种压力传感器节点都 采用 电池供 电， 所以设计一种低功耗 的工作方式十分重要 ， 降低 各个节点的功耗可以大大提高其工作寿命 ， 提高系 统可靠性 ， 节 约成本 。低功耗软件分为 C C 2 5 3 0调 度程 序、 时 间 同步通 信 机制 程序 、 无 线 收发 程序 3个部 分 。 C C 2 5 3 0调度程序采用 中断的方式 ， 相 比于查 询方式 ， 中断方式 的功耗更低 。如果采用查询的调 度方式读取 AD转换数据 ， 必须不停地读取 I ／ O端 口寄存器 ， 从而提高 了功耗 ， 而采用 中断方式 时， 主 芯片不需要读取数据就直接进入待机模式 ， 从而降 低 了功 耗 。 时间同步通信机制对于降低传感器节点功耗非 常重要 ， 无线数据 的收发功耗非 常大， 为 了节省 电 量 ， 要尽可能地关闭节点射频模块 ， 使其处于低功耗 状态_ 5 ] 。为了在尽可能短的时间内通信成功， 就要 对各个节点进行时间同步 ， 使所有节点同时唤醒并 进行数据收发 ， 然后同时休眠， 以保证功耗最低。 数据 的无线发送与接收是功耗最大的部分， 为 了降低这部分的功耗 ， 要考虑 到节点因为故障不能 收发数据的情况 ， 将不能通信的节点转到单机模式 ， 只采集而不发送数据 ， 其他节点跳过该节点进行通 信 ， 节点工作流程如图 5 所示。 3 ． 3数 据采 集分 站软件设 计 数据采集分站主要有 2个功能 数据处理与向 下通信。向下通信功能相当于把分站看成一个压力 传感器节点， 软件设计与节点相 同。数据处理功能 包括数据的汇总、 存储、 显示和转发。为了更好地运 用 S TM3 2 F 1 0 3 VE T6单 片 机 ， 在 分 站 中嵌 入 了 F C O S I I 实 时操作系统， 利用其优先级保证系统的 实时处理能力 ， 增强系统的可靠性。根据具体 的功 能要求设计了相对应的任务优先级 ， 如图 6所示 。 3 ． 4上位 机软 件设 计 上位机软件采用 C语言编写， 配合使用 S QL S e r v e r 2 0 0 8 进行数 据存储 。 上 位机 软件包 含用 户 7 6 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 图 5 节点工作流程 图 6任 务 分 配 及 优 先 级 管理功能、 基本信息配置功能 、 实 时数据显示 功能 、 历史数据查询功能 、 报警功能 、 报表分析功能， 并使 用 R S 4 8 5串口与数据采集分站进行通信。 4功耗测 试 以矿用锚杆 索 应力传感器节点为例 ， 测量节 点各个状态 的工作电流 ， 传感器节点工作流程 被唤 醒一采集数据一传输数据一睡眠。睡眠模式下节点 工作电流理论值为 1 A， 节点在睡眠状态 、 采集 状 态 、 接 收状 态 、 发送状 态 、 显 示状 态 的 电流 J 一 f 分 别 为 0 ． 0 0 1 ， 1 2 ． 8 ， 3 5 ， 5 3 ， 4 5 mA。 1 个周期 T内数据采集模块、 数据显示模块、 数 据发送模块 、 命令转发模块 、 数据接收模块、 指令接 收模 块 的工 作 时间 T 一T 。分 别 为 2 0 0 ms ， 5 S ， 1 5 ms ， 1 ． 5 ms ， 2 S ， 2 S ， 节 点 处 于 睡 眠 状 态 的 时 间 T7 一 T一 T1 Tz T3 T 4 T5 T6 。 按 T一3 0 rai n计算 1 个工作周期中单个节点所 耗 的 电量 为 Q l I A ． m S ]一 1 了 、 7 2 T 1 L T 5 T 6 4 T3 T4 一 1 4 5 1 6 5 ． 2 8 3 5 1 因为 T一3 0 mi n ， 所以每天通信 4 8次。假设在 1 d中， 节点被查看数据 1 O次， 则 1 d中消耗电量为 Q 2 I A ． h 一 4 8 Q1 1 0 5 T 2 2 ． 5 6 2 由 于 顶 板 离 层 仪 节 点 所 使 用 的 电 池 为 E R1 4 5 0 5 ， 其参数为 2 ． 4 A h ／ 3 ． 6 V， 电池使用效 率按 8 0 计算 ， 其可用电量 Q一1 ． 9 2 A h 。结合 式 2 可知 ， E R1 4 5 0 5最长供电时问为 7 5 0 d 。 经过一系列低功耗软硬件设计优化之后 ， 传感 器安装完成后能够使用 7 5 0 d ， 完全能够满足其工作 需 求 。 5 结语 基 于 Z i g B e e的低 功 耗 煤 矿 压 力 监 测 系 统 可 以 对井下各种应力进行实时监测 ， 提高 了煤矿井下生 产的安全性。该系统采用 Z i g B e e无线通信方式和 时间同步机制， 降低 了各个节点的功耗 ， 提高了产 品 的使用 寿命 。 参 考 文 献 李致 金． 基于无线传感 器 网络 的煤矿 顶板 压力 监测 系 统[ J ] ． 电子技 术应 用 ， 2 0 1 0 1 1 1 0 2 ～ 1 0 5 ． 姬海超 ， 王晓荣 ， 盖德成 ， 等． 井下 分布式无 线应力监测 系统设计 [ J ] ． 电子技术 应用 ， 2 o 1 5 ， 4 1 9 4 5 4 7 ． 陈斯 ， 赵同彬 ， 高建东 ， 等． 基于 Z i g B e e P RO的矿井 瓦 斯无 线监 测系统[ J ] ． 煤 炭技术 ， 2 O l 1 ， 3 0 9 l 1 O l l 2 ． 方 刚， 任小 洪 ， 贺映光 ， 等． 基于 Z i g B e e技术 的煤 矿监 测 系统[ J ] ． 仪 表技 术与传感 器 ， 2 0 1 0 1 2 4 1 4 3 ． 庞娜 ， 程德 福． 基 于 Z i g B e e 无 线传 感器 网络 的 温室监 测系统设 计 [ J ] ． 吉 林 大 学 学 报 信 息科 学 版 ， 2 O l O ， 2 8 1 55 6 0．