图1 压力监测系统结构
何群， 郝润芳
(太原理工大学 信息工程学院， 山西 太原 030024)
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ZigBee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ZigBee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； ZigBee
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ZigBee的低功耗煤矿压力监测系统。
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[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ZigBee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RS485总线传输到监控主机中。井下通信采用ZigBee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。
2.1 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，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。
图1 压力监测系统结构
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SOC芯片——CC2530作为控制核心[2]。在接收模式和发送模式下，CC2530的电流损耗分别为24 mA和29 mA，在睡眠模式下，CC2530消耗的电流仅为1 μA；利用有效位数多达12位的ADC实现对采样数据的模数转换，并用DMA将转换结果写入存储器，从而实现数据处理功能。
(3) 射频模块。系统采用ZigBee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CC2530芯片，同时辅以低成本、高性能的射频前端模块CC2591，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
3.1 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ZigBee的线性接力传输方式。每个传感器节点都有唯一的地址[4]，数据采集分站地址为0x0000，第1个节点地址为0x0001，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N+1号节点，所以N号节点收不到应答信号。当发送10次同步信后若仍然无应答，则N号节点发送采集数据给N-1号节点，N-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-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-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。
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CC2530调度程序、时间同步通信机制程序、无线收发程序3个部分。
CC2530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STM32F103VET6单片机，在分站中嵌入了μCOS II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SQL Server 2008进行数据存储。上位机软件包含用户管理功能、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RS485串口与数据采集分站进行通信。
图5 节点工作流程
图6 任务分配及优先级
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→采集数据→传输数据→睡眠。睡眠模式下节点工作电流理论值为1 μA，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I1—I5分别为0.001，12.8，35，53，45 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T1—T6分别为200 ms，5 s，
15 ms，1.5 ms，2 s，2 s，节点处于睡眠状态的时间T7= T-(T1+T2+T3+T4+T5+T6)。
按T=30 min计算1个工作周期中单个节点所耗的电量为
Q1|(mA·ms)=I1T7+I2T1+I3(T5+T6)+
I4(T3+T4)=145 165.283 5
(1)
因为T=30 min，所以每天通信48次。假设在1 d中，节点被查看数据10次，则1 d中消耗电量为
Q2|(mA·h)=48Q1+10I5T2=2.56
(2)
由于顶板离层仪节点所使用的电池为ER14505，其参数为2.4 A·h/3.6 V，电池使用效率按80%计算，其可用电量Q=1.92 A·h。结合式(2)可知， ER14505最长供电时间为750 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750 d，完全能够满足其工作需求。
基于ZigBee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ZigBee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：
[1] 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,2010(11):102-105.
[2] 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,2015,41(9):45-47.
[3] 陈斯,赵同彬,高建东,等.基于ZigBee PRO的矿井瓦斯无线监测系统[J].煤炭技术,2011,30(9):110-112.
[4] 方刚,任小洪,贺映光,等.基于ZigBee技术的煤矿监测系统[J].仪表技术与传感器,2010(12):41-43.
[5] 庞娜,程德福.基于ZigBee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,2010,28(1):55-60.
HE Qun， HAO Runfang
(College of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024， China)
Abstract:In view of problem of complex structure, large power consumption of sensor and data instability existed in wired communication mode of pressure monitoring system of underground coal mine, coal mine pressure monitoring system with low power consumption based on ZigBee was designed. The system uses pressure sensor with low power consumption to collect data, and the data was summarized to sub-station through ZigBee wireless transmission, then sub-station uploaded the data to PC software after data packaging and processing, so as to achieve real-time monitoring of underground tunnel pressure data. It reduces power consumption of sensor, and thereby increases system life.
Key words:coal mine; pressure monitoring; mine pressure sensor; low power consumption; ZigBee
中图分类号：TD355.4
文献标志码：A 网络出版时间：2016-01-26 15:50
文章编号：1671-251X(2016)02-0073-04
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.019
何群，郝润芳.低功耗煤矿压力监测系统设计[J].工矿自动化，2016,42(2)：73-76.