图1 基于蓝牙自组网的液压支架压力监测系统总体结构
唐明珠1， 衷卫声2
(1.南昌大学 机电工程学院, 江西 南昌 330031; 2.南昌大学 信息工程学院, 江西 南昌 330031)
摘要：针对现有矿井液压支架监测系统布线复杂、数据传输不稳定、维护困难等问题，设计了基于蓝牙自组网的液压支架压力监测系统。该系统通过蓝牙技术组建的无线自组网解决了繁杂的布线问题，使用蓝牙无线通信和以太网传输液压支架压力数据，传输速率快，性能稳定，工作人员利用上位机软件，即可实时对液压支架压力值进行分析。
关键词：液压支架； 压力监测； 蓝牙； 无线自组网； 数据传输
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1505.019.html
液压支架是综采工作面重要的工作设备，且数量众多，若液压支架出现死架、倒架等故障而又不能及时发现，将给综采工作面的正常工作带来极大隐患[1]，因此，必须实时监控液压支架工作状态。目前，井下液压支架监测系统实时采集的液压支架压力数据都是以有线传输方式传送到地面监测站[2]，存在布线复杂、成本高、难以维护等缺点，数据传输和施工的安全性也受到影响[3]。蓝牙自组网是使用蓝牙无线通信规范构成的网络拓扑，不需要基站，可相互进行数据传输。为此，笔者设计了基于蓝牙自组网的液压支架压力实时监测系统，使用无线通信传输液压支架的压力数据，数据传输可靠性高。
1.1 系统总体结构
基于蓝牙自组网的液压支架压力监测系统的总体结构如图1所示。监测系统为2层通信结构，底层通信是蓝牙源节点到嵌入式网关的通信；上层通信是嵌入式网关到上位机管理软件的通信。本设计中底层通信使用蓝牙通信技术，上层通信使用工业以太网通信。压力采集表采集的数据通过蓝牙无线通信方式传输到嵌入式网关。嵌入式网关将接收到的数据打包，传送到上位机管理软件。工作人员通过上位机管理软件，即可实时查看液压支架的压力数据，并且根据需要绘制液压支架压力折线图，对压力进行实时监测；预设压力报警值，当实际压力值超出报警值或者节点掉线时，推送报警信息。
图1 基于蓝牙自组网的液压支架压力监测系统总体结构
蓝牙设备由核心芯片和蓝牙芯片组成，蓝牙源节点、蓝牙路由节点和嵌入式网关都属于蓝牙设备。蓝牙设备的蓝牙芯片均选用BlueCore CSR8645A03，该芯片完全遵循V4.0蓝牙技术规范，采用IEEE802.15.1通信协议标准，在不增加外围器件的情况下，传输距离超过100 m，内部功率放大器的最大输出功率达10 dB·m，接收器的接收灵敏度达到-93 dB·m，该芯片具有安全性高、传输速率快和功耗低等特点。蓝牙源节点和蓝牙路由节点的核心芯片选用STC15L2K08S2，该芯片不需要外部晶振和外部复位，还可以对外输出时钟和低电平复位信号。嵌入式网关要求能够快速处理数据，拓展外部存储器，使用USB接口复制数据。STM32系列的STM32F103RCT6芯片的内核是基于ARM 32位Cortex-M3的CPU，外部存储容量为256 kB，可拓展外部存储器，外设消耗功率小，处理速率高，拓展性好，完全满足嵌入式网关开发的各种需求。所以，利用STM32F103RCT6开发嵌入式网关。
1.2 系统工作原理
当液压支架开始工作时，压力采集表采集压力数据，并将数据传送到蓝牙源节点，蓝牙源节点接收到数据，从休眠状态中进入工作模式，进入工作模式的蓝牙源节点开始寻呼附近的休眠蓝牙源节点、蓝牙路由节点和嵌入式网关，附近休眠的蓝牙设备接收寻呼，建立链接，寻呼的蓝牙设备为主设备，接收蓝牙寻呼的蓝牙设备为从设备，一个从设备和一个主设备就组成了一个最简单的微微网，一个主设备最多可以连接7个活动的从设备，一个微微网的主设备也可以是另一个微微网的从设备，一个微微网的从设备可以是另一个微微网的主/从设备，同时处于2个或多个微微网的蓝牙设备称为桥节点。多个微微网互连组成蓝牙拓扑网，也称为蓝牙自组网，处于蓝牙自组网的蓝牙设备可相互进行数据传输。
当嵌入式网关被唤醒后，开始建立蓝牙拓扑网，接收蓝牙源节点传送的压力数据。为了传输数据，蓝牙设备间建立ACL(Asynchronous Connection Less)链路链接，压力采集表采集数据后，将数据传送到蓝牙源节点，蓝牙源节点将数据通过蓝牙自组网网络传输到嵌入式网关。嵌入式网关通过以太网将数据传送到上位机，工作人员通过上位机软件，即可查看各个液压支架的压力值。嵌入式网关将实时采集到的数据存入存储器，当以太网网络出现故障时，工作人员可通过SD接口或USB接口将数据导出，不影响工作人员对支架压力的分析。
为了更有效地提高蓝牙自组网的网络吞吐量，蓝牙自组网的建立应符合以下规则：① 在散射网中控制微微网的数量，以减少微微网的同频概率。② 减少桥节点负载，防止其成为通信网络的瓶颈。③ 避免出现休眠从设备，控制从设备的数量[4]。
所有的蓝牙源节点为源节点，嵌入式网关为唯一的目的节点，当综采工作面进行工作时，蓝牙设备连续检测液压支架压力；当综采工作面停止工作时，所有蓝牙源节点及蓝牙路由节点都处于休眠状态。蓝牙自组网网络结构如图2所示。
根据以上要求，自组网网络结构一般呈簇状，路由节点作为桥节点，桥节点形成的微微网应具有合适数量的从节点，以避免源节点或路由节点进入休眠状态，影响网络吞吐量。蓝牙自组网形成过程：
第1阶段：路由发现。当源节点从休眠状态被唤醒，就将一个路由发现封包(Route Discovery Packet，RDP)泛洪到整个网络，寻找目的节点。
第2阶段：构建散射网。当目的节点接收到第1个RDP时，开始构建散射网，目的节点寻呼附近的蓝牙设备，寻找路由节点，构成微微网，当从设备达到7个时，停止寻呼新的设备。已加入微微网的路由节点寻呼自由路由节点构建微微网，当所有路由节点都成功加入微微网后，路由节点寻呼源节点组建微微网，这样就形成了以路由节点为桥节点的自组网。
图2 蓝牙自组网网络结构
3.1 嵌入式网关软件设计
嵌入式网关在监测系统中起到承上启下的作用，它既能够收集液压支架的压力数据并备份，又能接收上位机的指令，发送压力数据。嵌入式网关具有外部USB接口和SD卡接口，在上位机与嵌入式网关不能进行通信时，直接通过外部接口复制数据；嵌入式网关具有人机交互功能，只要安装界面显示模块，就能直接显示当前网络节点采集到的数据，并且发送监测压力数据指令或导出数据指令。嵌入式网关软件功能模块如图3所示。
图3 嵌入式网关软件功能模块
当综采工作面不工作时，嵌入式网关、蓝牙路由节点和蓝牙源节点都处于待机状态，当接收到指令时，嵌入式网关根据指令开始运行。综采工作面开始工作时，压力采集表采集压力数据，会唤醒蓝牙源节点，发送RDP，嵌入式网关接收到第1个RDP后，开始构建散射网，接收蓝牙源节点传送的压力数据。嵌入式网关将所有数据进行打包备份后，发送到上位机服务器，此时在上位机显示界面显示实时压力值。嵌入式网关接收到数据后，确认是否接收到每个液压支架的压力值，若是接收不到某个液压支架的压力值，向上位机发送报警信息，上位机显示接收不到压力值的液压支架的详细信息，工作人员现场排查，直至所有压力值接收正常。嵌入式网关收集节点数据流程如图4所示。
图4 嵌入式网关收集节点数据流程
3.2 蓝牙源节点及路由节点软件设计
在实际环境下，只有升降液压支架时，测试支架的压力才有意义。系统采用蓄电池供电，为了降低功耗，液压支架不工作时，蓝牙设备都设置为休眠状态，当液压支架压力骤变时，压力采集表采集数据，唤醒蓝牙源节点，并将数据打包发送到蓝牙源节点。蓝牙源节点被唤醒后，开始组建以嵌入式网关为目的节点的自组网，自组网形成之后，蓝牙源节点开始传送数据。蓝牙源节点首先等待蓝牙路由节点寻呼，之后接收蓝牙路由节点的寻呼，建立ACL链接，链接成功后，就可以将数据传送到蓝牙路由节点，由蓝牙路由节点将数据发送到嵌入网关，这样，这个蓝牙源节点的数据就传输成功了。若是被其他蓝牙源节点抢先建立链接成功，就只有等待下一次的蓝牙路由节点发起链接。蓝牙源节点软件流程如图5所示。
3.3 上位机软件设计
上位机软件的主要功能是实时监测液压支架压力的变化，对液压支架的压力进行分析管理。上位机软件功能模块主要包括档案管理、系统管理、实时显示、历史数据显示及导出等模块。在矿井增添或修改压力采集表后，上位机软件中需要先录入压力采集表信息，只有录入压力采集表的信息后，上位机软件才会显示压力采集表的状态，这个功能由档案管理模块完成。系统管理模块主要用于添加修改或删除用户的信息。实时显示模块能够实时显示支架压力数据。历史数据显示及导出模块主要用于以日报表形式对信息进行处理显示，用户选择需要导出的日期，即可导出当天的日报表。
图5 蓝牙源节点软件流程
液压支架是矿井综采工作面的重要工作设备，实时监控液压支架压力是很有必要的。基于蓝牙自组网的液压支架压力监测系统通过蓝牙技术组建无线自组网，解决了繁杂的布线问题，性能稳定，能够实时显示和监测液压支架压力值，数据传输速率快。
参考文献：
[1] 赵端,纵鑫.基于ZigBee技术的井下液压支架压力监测系统设计[J].工矿自动化，2014,40(1):31-34.
[2] 王桃,刘晓文,乔欣，等.基于无线传感器网络的液压支架压力监测系统设计[J].工矿自动化,2014,40(6):7-10.
[3] 宋栢,朱华,薛永刚.蓝牙技术在煤矿数据传输中的应用[J].工矿自动化,2007,33(3):1-5.
[4] 李晶莹.蓝牙AD Hoc网络拓扑形成算法研究[D].南京：南京理工大学,2009.
[5] 刘奕君,卞水荣,藏昊，等.一种链式无线路由协议的液压支架压力监测系统设计[J].计算机测量与控制，2015,23(10):3441-3443.
TANG Mingzhu1, ZHONG Weisheng2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China;2.School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)
Abstract:To solve problems of complex wiring, unstable data transmission and difficult maintenance of existing hydraulic support monitoring system in coal mine underground, a pressure monitoring system of hydraulic support based on Ad-Hoc networks was designed. The system can solve complex wiring problem via bluetooth technology to form a wireless Ad-Hoc networks, and adopts bluetooth wireless communication and Ethernet to transmit hydraulic support pressure data with fast transmission rate and stable performance. Staff can real-timely analyze hydraulic support pressure value by use of PC software.
Key words:hydraulic support; pressure monitoring; bluetooth; wireless Ad-Hoc networks; data transmission
文章编号：1671-251X(2016)07-0076-04
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.019
收稿日期：2016-03-07；修回日期：2016-05-30；责任编辑：张强。
基金项目：江西省科技厅科技成果重点推广指导项目(2011ZBBI90006)。
作者简介：唐明珠(1991-)，女，湖北荆州人，硕士研究生，主要研究方向为测试计量理论及应用，E-mail:qqliangshi222@163.com。 通信作者：衷卫声(1967-)，男，江西南昌人，教授，主要研究方向为测试计量理论及应用，E-mail:ws0791jx@163.com。
中图分类号：TD355
文献标志码：A 网络出版时间：2016-07-05 15:05
唐明珠，衷卫声.基于蓝牙自组网的液压支架压力监测系统设计[J].工矿自动化，2016,42(7)：76-79.