0 引言
瓦斯抽放是解决煤层瓦斯压力过高的有效方法[1-2]。为检测瓦斯抽放效果，多数矿山企业由人工定时抄录压力表头示数，存在容易误报导致测量精度低、数据传输不及时等问题；也有矿山企业采用电子压力记录仪自动记录瓦斯压力，但采用有线传输方式，设备部署不便[3]。6LoWPAN是基于IPv6的低功耗无线个域网技术[4-5]，本文设计了一种基于6LoWPAN的煤层瓦斯压力监测系统，可实时、准确地上传压力数据，并对瓦斯压力监测区域数据进行定点查询。
1 总体架构
基于6LoWPAN的煤层瓦斯压力监测系统主要由测压节点、边界路由器、地面服务器组成，如图1所示。
图1 基于6LoWPAN的煤层瓦斯压力监测系统组成
Fig.1 Composition of coal seam gas pressure monitoring system based on 6LoWPAN
瓦斯抽放孔分布在煤层开采区域，大部分抽放孔被密封后会剩余数个测压孔，根据测压孔的分布部署测压节点[6]。6LoWPAN自组网完成后测压节点开始监测数据，各测压节点通过多跳方式在6LoWPAN网络中选择最优路径[5]，将数据传输到边界路由器。边界路由器通过工业以太网将数据传至地面服务器。由于各测压节点具备独立IPv6地址，地面设备可通过服务器查询指定区域测压节点的实时监测数据。
2 硬件设计
2.1 测压节点
测压节点由压力传感器、信号调理模块、主控处理器、充电模块、锂电池组、电源调理模块、射频匹配模块、外置天线、OLED屏、超限报警模块组成，如图2所示。
图2 测压节点组成
Fig.2 Composition of pressure measurement node
主控处理器采用CC2538芯片，其基于ARM Cortex M3内核，具有32 kB片上RAM、512 kB片上闪存及IEEE 802.15.4射频功能。压力传感器型号为M7139-500PG，量程为0～3.5 MPa，具有IP67防护等级。压力传感器将瓦斯压力转换为电压信号，电压信号经信号调理模块处理后输入CC2538的ADC接口，转换结果一方面通过OLED屏显示，另一方面通过阈值处理模块进行判定，当其大于报警阈值时，超限报警模块发出警报。射频收发模块通过射频匹配模块连接50 Ω外置天线，从而实现6LoWPAN网络数据收发。锂电池组采用聚合物锂电池，放电范围为3.0～4.2 V，进一步通过电源调理模块提供系统所需3.3，5 V稳定电压。
2.2 边界路由器
边界路由器由网络模块、主控处理器、充电模块、锂电池组、电源调理模块、射频匹配模块、外置天线组成，如图3所示。边界路由器的主控处理器、充电模块、锂电池组、电源调理模块、射频匹配模块、外置天线与测压节点一致，不同的是通过SPI接口连接ENC28J60网络模块，实现6LoWPAN网络与地面服务器之间的通信[7]。
图3 边界路由器组成
Fig.3 Composition of border router
3 软件设计
3.1 开发平台
软件开发基于Linux平台，在arm-linux-gcc编译环境下编写系统所需API。采用Thingsquare官方驱动源码，通过移植实现6LoWPAN网络路由与转发功能设计。在编译工程前需向Makefile添加编译文件，完成编译环境的配置。
3.2 测压节点工作流程
为保证系统低功耗运行，测压节点大部分时间都处于休眠状态，只在特定时间点及服务器发出采集数据请求时才会被唤醒。测压节点工作流程如图4所示。首先系统初始化，包括寄存器初始化、传感器检测与电池检测。然后启动定时器，由设定的采样间隔或服务器主动查询触发采样中断，建立通信并发送数据。最后对数据进行超限判定：当达到或超过《煤矿安全规程》规定的预警值0.74 MPa时，测压节点发出报警信号；如果没有超限，则重新进入休眠状态。
图4 测压节点工作流程
Fig.4 Work flow of pressure measurement node
3.3 数据分析
压力传感器输出电压范围为0.5～4.5 V，在量程范围内瓦斯压力P与电压V呈线性关系：
(1)
由于设置CC2538的ADC参考电压为2.5 V，压力传感器输出的电压信号需经过信号调理模块进行1/2等比分压后才能准确采集，所以输入CC2538的12位ADC的电压为0.25～2.25 V。由此可得输入电压、瓦斯压力、ADC值对应关系，见表1。
表1 输入电压、瓦斯压力、ADC值对应关系
Table 1 Correspondence among input voltage, gas pressure and ADC
《煤矿安全规程》规定的预警值0.74 MPa为绝对压力，对应的传感器表头压力应为0.64 MPa，根据表1可得预警值对应的ADC值为1 009。
压力传感器受供电电源纹波的扰动，ADC值会出现波动，为减小其波动，在采样中断触发后对压力进行多次采集，并采用均值滤波算法[8]：
(2)
式中：τ为平均ADC值；τi为第i(i=1，2，…，n，n为采集次数)次采集的ADC值；τmax为采集的最大ADC值；τmin为采集的最小ADC值。
服务器每隔15 min收集1次测压节点监测数据，截取最近72 h的数据进行排序，获取72 h内最大、最小压力。根据《煤矿安全规程》规定，所测压力在72 h内变化小于0.015 MPa，则认为该稳定的压力即为煤层瓦斯压力[9]。由表1可得，0.015 MPa对应的ADC变化值为14，即当τmax-τmin≤14时，可判定煤层瓦斯压力处于稳定状态。
3.4 数据传输
3.4.1 通信协议栈
要实现各测压节点之间基于IP的数据通信，必须有IP协议栈作为基础[10]。Contiki是一个开源的、高度可移植的多任务操作系统，适用于联网嵌入式系统和无线传感器网络。Contiki操作系统内部集成了uIP无线传感器网络协议栈，能够实现Contiki与因特网的通信，且支持TCP，UDP，ICMP等传输协议[10]。
在传输协议的选择上，由于UDP在处理报头和协议逻辑方面开销非常低[11]，分组的传输和接收将消耗较少的能量，每个分组将有更多的可用于应用层数据的空间，这对系统的低功耗要求非常有利。但UDP无法保证数据的高可靠传输和接收数据先后的正确排列[11]。基于系统的应用场景，瓦斯压力监测是一个长期过程，且压力数据每隔15 min定时向服务器集中多次发送，服务器只接收1个数据，个别数据丢失不会影响整体判断的准确性。因此，UDP传输协议能很好地满足数据传输需求。
3.4.2 路由和转发
测压节点的数据在6LoWPAN网络中的传输往往需要经过多跳，其中包含路由和转发2个过程。通过路由协议在每个节点上填写路由信息库(RIB，Routing Info Base)，RIB包含了运行路由协议所需信息，通常可简化为一个转发信息库(FIB，Forwarding Info Base)，用于转发数据[12-13]。系统中数据转发并非不同链路之间的转发，而是第3个节点所处位置不在第1个节点通信范围之内时，则需要第2个节点作中继转发[14]，本文采用6LoWPAN适配层网络转发方式来实现。
4 测试结果
为测试系统有效性，部署5个测压节点和1个边界路由器，分布位置如图5所示。
图5 测试布置
Fig.5 Test arrangement
各测压节点启动后完成自组网，在一定区域内形成6LoWPAN网络，各测压节点的数据通过路由和转发的形式传送至边界路由器。通过与边界路由器同属1个局域网的电脑进行UDP侦听，数据如图6所示。
由图6可知，节点1在第一时间建立连接，节点2—节点5分别在3，10，15，20 s后接入6LoWPAN网络，当节点5加入网络后，从22:00:54开始，链路
图6 UDP侦听数据
Fig.6 UDP listening data
上的节点数据传输速度明显加快。网络延时测试结果见表2，可看出延时较短。
表2 网络延时测试结果
Table 2 Test result of network delay
通过标准仪器测定，测压节点均处于1个标准大气压(0.1 MPa)环境中。测压节点1在12 h内收集的数据见表3，可看出压力数据稳定，波动范围小，能真实反映实际压力。
表3 测压节点1数据
Table 3 Data of pressure measurement node 1
5 结语
基于6LoWPAN的煤层瓦斯压力监测系统通过测压节点实时采集瓦斯压力数据，有效避免了人工操作出现的误报问题；利用6LoWPAN网络传输数据，使测压节点部署方便，保证了数据通信的效率和稳定性；通过低功耗设计实现了煤层瓦斯压力的长期监测。
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