矿压监测系统中无线传感技术的研究.pdf

致 谢 致 谢 本论文是在我的导师张美金副教授的悉心指导下完成的，没有导师的指导、鼓 励和大力支持，论文是不可能得以顺利完成的。回顾两年多的硕士研究生的学习和 生活，我的导师给了我很多教导和帮助，老师在专业上的指导和支持让我在这两年 的时间里学习到不少新的知识，老师优秀的做人品质和严谨的治学态度使我敬佩， 是我的楷模，老师高屋建瓴把握全局的领导能力和忘我的工作精神对我也产生了很 大影响。在这两年多的时间里，我的导师所给予我的，不止是学习和生活上的帮助， 更重要的是一种人格和工作态度上的榜样作用，使我受益终身。在此，谨向我的导 师致以深深的感谢和崇高的敬意 在此，我还要感谢我的师母李立军老师，在两年半的学习时间里，无论是思想 上还是生活中她都给了我无微不至的指导和关怀。每当我对未来感到迷茫时，是她 在我的身边为我分析和指点，如姊，更多几分敬重，如母，更多几分知心。 同时，衷心感谢赵国材老师在我的论文修改过程中给予我的热心指导和宝贵意 见，感谢学院里的老师们在我两年半学习时间里给予我的指导和帮助。 感谢我的朋友和同学，尤其是我同寝室的姐妹们，在我的学习和论文撰写过程 中给予了很大的帮助和很多建议。 感谢我的父母和姐姐，在我的成长道路上，一直站在我的身后默默支持和倾情 付出。 谢谢所有曾经指导和帮助过我的人谢谢辽宁工程技术大学 - I- 摘 要 摘 要 煤炭资源是我国的重要能源，我国是世界煤炭生产和消费大国，同时也是煤矿事故多 发性国家。在各类煤矿事故中，顶板事故一直占有重要比重，加强对矿井压力监测系统的 研究和改进，对预防顶板事故、改善我国煤矿安全生产条件具有重要意义。 本文的目的是通过结合井下综采工作面的实际环境，利用现在发展比较完善的无线传 感器网络技术，研究一种基于无线通信技术的矿井压力监测系统，以期改善现阶段井下监 测系统布线困难，监测设备要随着开采工作面的推进而不断移动带来的不便。 本文的研究主要集中在以下几个方面 （1）根据矿井无线传输的特点，分析现在几种常用的无线通信技术，确定以 ZigBee 协议标准为平台，构建了一种基于无线传感器网络的矿压监测系统拓扑结构。 （2）对 ZigBee 路由算法进行研究，结合矿井压力的特殊监测环境特点，采用分簇路 由和树路由相结合的算法对系统中的网络节点数据传送路径进行选择，同时提出了一种基 于能量均衡的树路由算法，旨在改善巷道中因部分路由节点数据传送频繁、能耗过大造成 网络节点能耗失衡，从而导致网络数据流拥堵或网络中断的现象，提高系统的可靠性和延 长网络的生命周期。 （3）对监测系统的各功能节点硬件设备给出了详细设计，考虑 AVR 单片机具有高性 能、高速度、低功耗，速度高和片内硬件资源丰富等优点，为了使系统更具低成本、低功 耗的优越性，同时又可以保证系统较高的数据处理能力，本文中的网关节点和路由节点硬 件电路主要由 ATmega128L 微处理器、CC2420 射频模块以及一些外围电路组成，而终端 节点则采用 CC2430 一片式 SOC 系统，本文给出了详细的硬件电路组成和软件设计。 在完成上述几方面的研究工作后，在拟矿井环境的实验条件下对传感器节点改进路由 算法下数据的能量消耗情况和节点失效概率进行测试，并且对节点间的无线通信也进行了 连接测试，仿真结果表明，系统性能达到预期的效果，同时也符合国家对矿压监测系统的 相关要求和规定。 关键词矿井压力监测；无线传感网络；ZigBee 协议；路由算法 - II- Abstract Abstract Coal is the important energy resources of china, and china is the principal country of worlds coal production and consumption, also the country of coal mine accident-prone, roof accident has been an important proportion in various types of coal mine accidents, the research and improvement of mine pressure monitoring systems has the important sense for the roof accident and improving conditions of coal mine production safety. A monitoring systems of mine pressure based on wireless communication technology is studied by network technology of wireless sensor combining the actual situation of mechanized mining face, and the difficulties of monitoring systems wiring at the present stage and the inconvenience of monitoring equipment constantly moving in pace with work face forward are improved. The research focuses on the following aspects 1 The protocol standards of ZigBee is defined and a topological structure of mine pressure monitoring systems based on wireless sensor networks is established by the analysis of several common wireless communication technology according to the characteristics of underground wireless transmission. 2 Routing algorithm to ZigBee is studied according to the particular environmental characteristics of mine pressure monitoring, and data transmission paths of network nodes are selected by the algorithm combining layered clustering routing with tree routing in the systems, a tree routing algorithm based on energy balance routing algorithm is proposed, for improving energy imbalance of network nodes caused by frequent data transmission, and excessive energy consumption which result in the congestion of data flow and discontinuity of network, so the systems reliability is improved and life cycle is extended. 3 The detailed design for function nodes hardware of monitoring systems is given, Considering the advantages of high-perance, high speed, low power, high speed and On-chip hardware resource-rich to AVR SCM, for the superiority of low cost, low power consumption and ensuring higher data processing capability of systems, the hardware circuits of gateway node and routing node are made up by ATmega128L - III- microprocessor, CC2420 RF module, and peripheral circuits, and terminal node applies CC2430 a type SOC system. The hardware circuits and software design are given. Upon completion of the above research work, energy consumption of data and node failure probability are tested under experimental conditions of simulated mine environment by improved routing algorithm of sensor node, wireless communication between nodes is tested also. Simulation results show that systems’ perance achieves desired research goals, and the systems meet the related requirements and regulations of mine pressure monitoring systems. Key Words Mine pressure monitoring;Wireless sensor network;ZigBee protocol;Routing algorithm - IV- 目 录 目 录 摘 要 ........................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 课题的提出和研究意义 ..................................................................... 1 1.2 矿井压力监测系统发展状况 .............................................................. 1 1.3 无线传感器网络 ................................................................................ 2 1.4 本文主要研究内容 ............................................................................. 4 2 矿压监测系统总体设计 .............................................................................. 5 2.1 矿井压力特性分析 ............................................................................. 5 2.2 系统总体设计 .................................................................................... 6 2.2.1 设计原则 ...................................................................................... 6 2.2.2 系统网络总体结构设计 ................................................................ 7 2.2.3 节点结构设计 ............................................................................... 8 2.3 系统能耗分析 .................................................................................. 10 2.3.1 传感器节点各模块能耗分析 ...................................................... 10 2.3.2 系统网络的能耗分析 .................................................................. 11 2.4 系统无线通信技术的选择 ............................................................... 12 2.4.1 矿井无线传输的特点 .................................................................. 12 2.4.2 ZigBee 技术与几种常用无线通信方式的比较 ........................... 13 2.5 本章小结 .......................................................................................... 16 3 无线传感器网络路由算法研究 ................................................................. 17 3.1 ZigBee 无线协议 .............................................................................. 17 3.2 传统 ZigBee 树路由算法 ................................................................. 18 3.3 矿井适用的无线网络路由算法 ........................................................ 19 3.3.1 树路由算法的改进 ..................................................................... 19 3.3.2 分簇路由算法的实现 .................................................................. 24 - V- 3.4 算法性能仿真分析 ........................................................................... 27 3.4.1 算法分析 .................................................................................... 27 3.4.2 仿真比较 .................................................................................... 27 3.4.3 仿真结果分析 ............................................................................. 29 3.5 本章小结 .......................................................................................... 29 4 系统的硬件实现 ........................................................................................ 31 4.1 网关节点的硬件实现 ....................................................................... 31 4.1.1 微处理模块 ................................................................................. 31 4.1.2 射频模块设计 ............................................................................. 33 4.1.3 电源模块 .................................................................................... 35 4.1.4 接口电路 .................................................................................... 36 4.1.5 其它部分电路模块 ..................................................................... 38 4.2 路由节点的硬件实现 ....................................................................... 41 4.2.1 压力传感器的选择 ..................................................................... 41 4.2.2 信号调理电路设计 ..................................................................... 42 4.3 终端节点的硬件实现 ....................................................................... 42 4.4 系统抗干扰措施 .............................................................................. 44 4.5 本章小结 .......................................................................................... 45 5 系统的软件设计 ........................................................................................ 46 5.1 软件开发环境 .................................................................................. 46 5.2 节点组网程序 .................................................................................. 46 5.2.1 网关节点 .................................................................................... 46 5.2.2 路由节点 .................................................................................... 47 5.2.3 终端节点 .................................................................................... 50 5.3 节点通信实验 .................................................................................. 51 5.4 本章小结 .......................................................................................... 51 结 论 ........................................................................................................ 52 参 考 文 献 ................................................................................................... 53 - VI- 附录 A 节点外围模块电路图 ......................................................................... 55 附录 B 节点组网部分程序 ............................................................................. 57 作 者 简 历 ................................................................................................... 60 学位论文原创性声明 ...................................................................................... 61 学位论文数据集 .............................................................................................. 62 - 1 - 1 绪论 1 绪论 1.1 课题的提出和研究意义 1.1 课题的提出和研究意义 煤炭是我国的重要能源，在我国的一次能源消耗中，煤炭资源的使用一直占到 70左 右，而且我国煤炭资源丰富，产量也一直居于世界前列，煤炭资源是国家能源的基石和国 家能源工业的主体。 我国是世界上的煤炭生产和消费大国，近几年全国煤炭产量不断增加，2005 年全国原 煤产量首次突破 20 亿吨，2006 年 23.25 亿吨，2007 年 25.23 亿吨，2008 年 26.22 亿吨， 2009 年我国的原煤产量达 29.65 亿吨，但同时我国也是煤矿事故多发性国家，不论是煤矿 事故还是死亡人数都占到了世界总数的 80左右。在“十五”时期，我国煤矿共发生事故 18516 起、 死亡 31064 人， 分别占工业、 矿业、 商贸企业等事故总起数和死亡总人数的 26.91 和 40.26[1]。煤炭事故不仅给国家和人民的生命财产带来巨大损失，同时也对社会和政治 造成了不利影响。煤矿顶板事故无论是在事故发生次数还是在事故死亡人数上，所占的比 例都是非常大的，而在顶板事故中。80发生在采场，工作面来压造成的事故约占顶板事 故的 77.4，可见，在采矿工作面来压期间大力加强对顶板的监控，尽最大努力预防顶板 事故发生，对保障我国的煤矿安全生产具有非常重要的作用。 虽然在近年来，随着煤炭工业科学技术的发展，液压支架的使用，机械化程度的不断 提高， 顶板事故的总体趋势呈下降趋势， 但是随着煤矿开采强度的增大和向深部开采转移， 顶板安全问题仍然凸现出来，国家安监总局印发的煤矿安全生产“十一五”规划中也 明确提出，“煤矿要逐步改革采煤方法和采煤工艺，加强支护，完善顶板监测系统，对有 矿压、冲击地压灾害的矿井配备预警预报装备”。在现在顶板管理研究成果的基础上，充 分利用网络资源，将无线数据传输技术应用在顶板压力监测系统中，对促进煤矿安全上一 个新的台阶具有实际意义。 1.2 矿井压力监测系统发展状况 1.2 矿井压力监测系统发展状况 在矿井综采工作面顶板压力监测技术研究方面，英德法等国家起步较早。20 世纪 70 年代英国研制成功了 MRD 无纸记录仪系统，该系统主要功能是利用磁带机连续记录工作 面支架压力参数，然后将这些数据信息读入监控计算机进行综合分析。20 世纪 70 年代， 法国推出的 CCT63/40 矿井综合监测系统在一段时期内在世界采矿业占据重要地位，在该 系统推出后，荷兰很快引进该系统并在此基础上开发研制了 CMM-20 矿井监测系统。80 - 2 - 年代初德国研制出 TF-200 频分多路传输系统，后来我国重庆安全仪表厂引进生产该系统， 在我国煤矿产业中广泛应用。到了 90 年代，世界发达采煤国家在工作面均配备了由德国 DBT 集团公司研制了世界最尖端而易于操作的 PM4 电液控制系统，该系统既可保持 每台设备最高的可靠性，又可通过支架上的信息处理器实现工作面的全自动控制[2]。 1990 年在国家科技攻关项目的资助下山东矿业学院自主研制成功了 DKJ-1 煤矿顶板 预报和计算机监测系统，该系统可以将采集到的压力信息通过电缆将数据信息传输到地面 计算机，系统主要用于监测和预报顶板初次来压和周期来压。1993 年，山东省尤洛卡自动 化仪表公司和山东科技大学共同研制推出了 ZYDC-1 综采工作面压力计算机监测系统，该 监测系统主要功能是对煤矿工作面综采支架压力参数进行远距离的分布式在线监测。系统 以地面监测计算机为主控单元，井下压力采集分机为分布式监测单元，整个系统最多可连 接 64 个分机 196 个测点，而且该系统具有操作简单，性能价格比高，安装方便等优点。 该系统在水城矿务局、新汉矿务局、充州矿业集团鲍店煤矿、淮南煤电公司、大屯煤电公 司等十个工作面推广使用，取得了很好的使用效果，至今在综采面顶板安全监测方向仍在 广泛应用[3]。目前应用在矿压监测系统中的仪器种类较多，基本可以满足现场需求，但是 技术层次差距较大。综采矿压监测系统中，在获取传感器的数据后，需要将所得数据传送 到主机一般是微机上。传送数据的方式可以采用有线的数据传输，例如采用有线的串、 并型总线 I2C 总线、RS-485 总线等配合光缆进行传输，KGJ-B 型工作面综合监测系统就是 采用有线数据传输。 在数据采集方式上，目前的矿压监测系统一般是使用电缆连接方式进行数据采集。电 缆传输方式的数据传输速度快、可靠性高且运行稳定，能满足大多数现场的需要，但是有 线传输有下列一些难以克服的缺点 1 地下开采时，煤矿井下的使用设备较多，所有有时候在井巷中布线比较困难，而 且信号有线传输的环境适应性差。 2 煤机支架联动时需要井下有专门的支架工随时检查信号输出电缆，电缆出现损坏 会直接影响到不能进行数据采集，严重时甚至导致系统瘫痪。 3 采用有线传输方式，需增加长线驱动器和安全栅，使用成本高。 4 采用有线传输方式，井下维护工作量大，需要消耗较多的人力物力。 1.3 无线传感器网络 1.3 无线传感器网络 当代社会是一个信息化的社会，信息技术飞速发展，其中三大基础技术传感器技术、 通信技术和计算机技术对现代信息技术的发展起着至关重要的作用，它们分别完成对信息 - 3 - 的采集、传输和处理工作[4]。近年来随着这三大信息基础技术以及微机电系统技术的迅猛 发展和技术融合，使得低成本、低功耗、大规模的无线传感器网络得以实现，且随着技术 的发展，无线传感器网络技术将愈加完善，在环境、卫生、医疗、工业等多领域的应用也 将会越来越普及。无线传感网络是由大量的同时具有数据采集、处理和通信能力的微小传 感器节点，以多跳无线通信方式构成的自组织网络系统，它能智能地感知与采集周围的环 境信息，并能根据要求完成数据处理或其他指定任务。早在 1999 年，美国著名的商业 周刊就在预测未来技术发展中将无线传感器网络列为 21 世纪最有影响力的 21 项技术之 一[5]， 美国自然科学基金委员会在 2003 年便以投资三千四百万来支持无线传感器网络的相 关基础理论研究。我国在“十一五”科技攻关项目中把传感器网络列为重大研究项目，国 家自然科学基金委员会和 863 计划均把传感器网络的相关研究项目作为重点资助对象。 无线传感器网络具有准确、灵活、可靠、低成本、易于部署等诸多优点，因此具有广 阔的应用前景。随着传感器网络的深入研究，待技术成熟后必将能够应用到社会的各个领 域，如环境监测、医疗保健、智能家居、城市交通、国防科技等等，将给人类社会的生活 生产带来深远影响。典型无线传感器网络结构如图 1.1 所示。 图 1.1 无线传感器网络结构图 Fig. 1.1 The structure chart of wireless sensor network 当将无线传感器网络应用于监测任务时，具有的优势主要有以下几点 1 低成本 单个传感器节点的成本很低，而且每个传感器节点都是一个独立的系统， 在更换网络或多次测量中还可以重复利用，大大降低了整个监测系统的成本。 2 低功耗 无线传感器网络一般应用在无人环境中，为了尽量避免更换节点或节点 电池所带来的不变，传感器节点在设计时都是以低功耗为主要目标的。 - 4 - 3 监测更精细 因为传感器节点成本不高，在使用时可以进行高密度的部署，从而 可以对目标对象进行精确跟踪和控制，能够很详尽地显示出目标的即时状况。 4 监测更可靠 由于无线传感器网络具有自建、自组织和自我修复能力，以及高密 度部署的特点，当网络中某一节点失效或着有新的节点加入时，系统可以自动重新组织网 络，使得无线传感器网络具有较高的可靠性、容错性和鲁棒性。 5 实时性好 分布在不同位置的多个传感器甚至是多种传感器对同一目标进行的同 步监测，可使得对目标状态改变的发现更及时，也更容易。 1.4 本文主要研究内容 1.4 本文主要研究内容 1 系统总体拓扑结构和节点结构设计 主要工作内容包括通过对顶板压力的特性分 析， 确定出监测系统设计的总体原则和关键技术， 设计无线传感网络中各节点的总体结构， 分析系统能耗和无线通信方式。 2 路由算法研究 结合矿井的特殊监测环境特点，研究一种适合矿井环境的无线通 信路由算法，旨在改善巷道中因部分路由节点能耗过早耗尽造成网络节点能耗失衡，从而 导致网络数据流拥堵或网络中断的现象，从根本上提高系统的可靠性和延长网络的生命周 期。本文提出了分簇路由和树路由相结合的算法，并对该算法进行了仿真验证。 3 对矿压监测系统井下部分的无线传感器网络节点的硬件电路及软件部分进行了详 细设计，结合现阶段无线传感网络的发展，提出一种低成本、低功耗、高数据处理能力的 网络节点结构。 4 系统通信测试。搭建测试平台，对系统的硬件及软件进行相关性能的调试，验证 数据传输的可靠性。 - 5 - 2 矿压监测系统总体设计 2 矿压监测系统总体设计 2.1 矿井压力特性分析 2.1 矿井压力特性分析 矿井顶板的基本结构如图 2.1 所示，最上面为老顶，中间为直接顶，下面为煤层。老 顶是指位于直接顶上方，能够组成采场掩体结构的岩层[6]。老顶的运动规律显现对矿井顶 板压力有明显影响，老顶的作用力无需由支架全部承担。直接顶在采空区冒落时不能够向 煤壁前方永久传递力，其作用力必须由支架全部承担。本文中对矿井顶板压力的监测内容 主要是监测液压支架的初撑力，将传感器节点布置在支架与直接顶之间，当支架所承担压 力值超过安全限值时进行报警。 图 2.1 矿井顶板结构图 Fig. 2.1 The structure chart of mine roof 支架初撑力指的是支架支设开始时对工作面顶板所提供的初始支撑力。初撑力的大小 对工作面顶板的管理来说非常重要。 影响支架初撑力的主要因素是直接顶岩层特性和支柱布置有关参数，还取决于实际煤 矿的工作面特性， 本文以徐州庞庄煤矿某工作面为例， 参照其在老顶来压期间的有关参数， 对系统进行设计。 同时初撑力大小还取决于泵站的工作压力，同时受到管路损失和操作等因素的影响。 文献[7]给出了防压情况下初撑力的计算公式 0 12 cos / xxx ij h LLa P nnnLn γ 2.1 式中 0 P 初撑力kN/根； γ直接顶岩层的平均体积力kN/m3； h直接顶厚度m； - 6 - x L 最小控顶距m； xx L 采空区的极限悬顶长度m； a煤层倾角； i n 同一步距梁内，第 i 排基本支柱数目根； j L支柱柱距m； n支柱密度根/m2。 文献最后确定了初撑力的值为 100kN/根。 据徐州矿务局调查报告显示，单体液压支柱工作面泵站压力大多为 1418MPa， 理论上计算的初撑力应该达到 110140kN，忽略管路损失、多头作业等因素影响， 支柱初撑力应在 80100kN 之间。考虑安全因素，综合考虑以 130kN 作为参考值来 进行传感器的设计。 2.2 系统总体设计 2.2 系统总体设计 2.2.1 设计原则 2.2.1 设计原则 因为矿井环境的特殊性，在对无线矿压监测系统进行设计时应遵循以下原则 1 网络节点体积小 井下空间比