文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.012
中文引用格式： 姬海超，王曉榮，蓋德成. 井下分布式無線應力監測系統設計[J].電子技術應用，2015，41(9)：45-47，59.
英文引用格式： Ji Haichao，Wang Xiaorong，Gai Decheng. Design of distributed wireless stress monitoring system of coal mine[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：45-47，59.
0 引言
煤礦井下復雜的工況環境存在諸多如頂板斷裂、支架變形、巷道底鼓、頂板離層等安全隱患[1]。為安全生產， 我國已有部分煤礦建立了煤礦巷道安全監測系統，但早期集中式控制的礦山壓力監控系統，其控制任務過于集中，易造成主機負荷重，系統不穩定，實時性差，而且大多采用電纜連接監測設備，致使井下布線繁雜，移動不便，系統成本高[2]。一旦串聯的通信電纜發生故障，監測系統就會癱瘓。因此，本文提出分布式控制無線網絡整體架構，采用新型集成無線射頻模塊組成分布式傳感器網絡，形成無線分布式控制的井下應力監測系統，實現井下支護設備應力監測的全面性、實時性。
1 分布式控制系統結構
分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）是應用計算機技術對生產過程進行分散控制、集中管理的一種綜合型計算機網絡系統，一般分為現場層、控制層、監控層和管理層四層[3]。每個層級都有對應的功能，層級之間可以相互通信實現數據傳輸。
分布式無線控制應力監測系統分為井上和井下兩個部分，井上為監控中心層，井下為集中控制層和采集節點層，系統結構如圖1所示。
采集節點層即終端節點，是構成監測系統的基本單元，安裝在井下頂板、液壓支架、錨固設備上，負責壓力數據采集、存儲，并將數據傳到集中控制層的協調器中。路由節點是無線通信的中繼器，負責數據和命令的自動中繼傳輸，以擴大分布式無線網絡的通信范圍。集中控制層的協調器負責無線網絡的建立與維護，實現無線通信和有線通信的協議轉換，通過CAN總線上行傳送壓力數據，下行傳送上位機指令。
監控中心層的傳輸接口在井上通過CAN總線下達命令，匯總若干通信分站的數據，將數據上傳至中央處理平臺。監測管理人員可以通過上位機軟件讀取實時壓力數據、繪制實時曲線、查詢歷史數據、打印報表等，也可發送控制命令，方便對井下壓力情況的分析和預測。
2 采集節點硬件設計
監控系統設計要求數據采集、通信的穩定性，也要考慮到無線傳輸距離、器件的防爆性能。終端節點硬件組成如圖2，供電模塊為整個終端節點提供電源，是其他功能實現的前提；傳感器模塊負責采集壓力計數據和數據A/D轉換并將處理的二進制數通過GPIO端口傳送給主芯片；主芯片負責數據的存儲和終端節點本身采集的數據；ZigBee模塊要實現命令的接收和數據的發送，與路由節點或協調器進行通信。
主芯片選用STM32F103中等容量增強型，工作電壓是1.8~3.6 V，其低功耗適用于電池供電的無線傳感器節點設計。存儲模塊選用M25P16，容量2 MB，與主芯片之間采用SPI通信。時鐘芯片選用DS1302，其與主芯片通過3根信號線連接，采用電源3.3 V和紐扣電池供電，兩種供電方式不同時供電，紐扣電池作為備用電源，當設備斷電時時鐘模塊正常工作。無線模塊選用增強型ZigBee，用戶通過AT指令集來進行各種操作。傳感器采用CLY型壓力傳感器，其內置阻抗大，功耗低，監測范圍寬，穩定性好，性價比高。
2.1 傳感器信號調理電路
傳感器數據采集是整個監測系統的核心，傳感器的測量精度和穩定性取決于信號的采集和調理。應力信號轉換為電壓信號，為提高采樣精度，要通過調理電路放大微弱的電壓信號[4]。設計采用低功耗的AD623芯片，其工作電壓范圍寬，共模輸入范圍可擴展到地電平150 mV以下，能夠測量較低或沒有共模部分的小差分信號，更適合電池供電的低功耗設備。
AD623在單電源3.3 V供電下，提供滿電源幅度的輸出，輸出電壓公式為V0=（1+100K/R）Vin+Vref，由單個增益設置電阻進行增益編程，因此能夠得到很好的靈活性。A/D轉換電路如圖3，其中電容、電阻構成濾波電路防止射頻干擾。CLY型傳感器由模擬3.3 V隔離供電，壓力傳感器信號接入AD623輸入端，經過運放處理輸出的放大信號接入CPU，最大工作電流小于10 mA，功率小于1/3 W。
2.2 供電模塊
系統正常運行需要為終端節點、路由節點、協調器提供所需能量，系統供電如圖4。井下電路的本質安全設計依據GB3836爆炸性環境系列標準[5]，終端采集節點為保證低功耗，除主芯片模塊和Flash模塊常供電外，各模塊供電通過MOS管控制，在需要實現模塊功能時，主芯片IO端口控制MOS管導通供電，功能完成后關斷以降低功耗。
礦下常用127 V交流電，直接使用本安隔爆電源轉直流12 V，再通過LM7805轉5 V，采用兩級降壓的方法能夠防止一級電源電壓波動造成干擾，為接口和協調器節點提供穩定的電壓源。電源輸入端正負極短接TVS管用以過壓保護，同時正極輸入端接2個低壓降低阻抗的二極管，為短路防反接提供雙重保護[6]。電源正端串接PTC熱敏電阻進行過流過載電路保護，短路時PTC發熱呈現高阻態使電路處于相對“斷開”狀態，保護電路不受破壞。故障排除后，PTC自動恢復至低阻態，電路恢復正常工作。
終端節點采用4節1.5 V的1號串聯電池組供電，應盡可能降低功耗以延長使用壽命。為滿足本安要求，電池組串接一個常溫標稱阻值為1 Ω的PTC提供短路保護。防爆試驗中，電池組短路電流不大于5 A，短路發熱最高溫94 ℃，無漏液現象，適用于井下環境。
3 系統軟件設計
井下巷道的分布大都呈線型結構，工作面上的支護設備、液壓支架等分布距離較小，考慮設備的特殊布局和節點能耗不等的問題，系統采用ZigBee網狀網絡結構。
路由節點初始化后，自動加入協調器已經建立好的通信網絡并建立路由表[7]。其無線模塊供電后，能夠實現數據的中轉功能，將采集節點發來的數據匯總后轉發給協調器，接收協調器發過來的指令信息后轉發給目的終端節點。終端節點數據格式和上位機指令格式見表1、表2。其中上位機功能碼有4個：0X01讀取傳輸接口數據；0X02廣播更改終端節點的時間；0X03更改協調器編號；0X04設置安裝終端節點，以方便在協調器節點上的液晶屏顯示通信狀態。
3.1 協調器
協調器作為無線網絡傳輸的匯聚中心，是整個分布式控制無線網絡的核心[8]。每個分布式ZigBee網絡只能有一個協調器節點，協調器節點程序流程如圖5。在節點中各模塊初始化完成后需要建立ZigBee網絡，路由節點、終端節點搜索信道后申請加入，協調器自動篩選申請加入的節點并分配地址建立列表。
協調器通過CAN控制器ADM3053把接收到的子節點的ZigBee協議數據轉換為CAN協議數據，然后通過CAN總線、USB數據線將數據送至上位機。此外，下行通信可以向下傳送主機的命令指令，通過協議轉換把數據包發送給分布式網絡的所有節點。
3.2 終端節點
終端采集節點上載有3個通道壓力傳感器，負責數據的采集、存儲和上傳，是系統的關鍵部分。程序流程如圖6，終端節點上電后，無線模塊自動進行初始化，然后請求加入無線網絡。
當協調器接收到請求信號后會返回一個包含協調器ID和對應終端節點ID的信號，ID編號具有唯一性，以實現點對點通信，防止發生通信沖突。加入網絡后，在滿足采集條件時采集并保存數據至外部Flash防止網絡中斷數據丟失，然后通過無線網絡將數據包發送給協調器或就近的路由節點后節點休眠，保持低功耗。
數顯模塊驅動采用內部自帶鍵盤掃描接口的LED驅動芯片SM1668，可有效控制亮度來降低功耗。數碼管的顯示采用按鍵喚醒，當按下按鍵時，數碼管輪詢顯示當前終端節點編號、時間間隔、實時壓力數值。顯示時間為3 s，結束后自動關閉顯示功能以降低功耗。
4 系統測試與分析
井下巷道中節點呈鏈狀分布，為驗證系統設計的可行性，選取長寬高分別為120 m、2 m、3.6 m的走廊模擬巷道，將若干終端節點和路由節點懸掛于墻壁上。協調器節點與傳輸接口之間通過CAN總線連接，中間接上10 km雙絞線距離仿真板。走廊內的終端節點外接電位計模擬壓力傳感器打壓，用示波器測得數據波形如圖7，相鄰一組收發數據時間間隔為150 ms，系統模擬16臺采集節點，巡檢周期2.4 s。采集節點連續運行一周后，其中一個模擬傳感器的實時壓力值部分曲線如圖8。
井上工作人員可以設定壓力上限、下限報警值，方便直觀地對測點進行監控、及時掌握情況并采取相應措施保證生產安全。同時可以在Access數據庫中導出Excel歷史數據表，如圖9，方便技術人員分析測點數據，制定合理的生產計劃。
經連續運行模擬測試，上位機實時記錄壓力數據并繪制曲線，在壓力值不變的情況下監測的數據基本維持一條水平直線，調節電位計，壓力值曲線也隨之改變并保存歷史數據，未出現丟包的情況，驗證了數據采集具有良好的穩定性，能夠滿足井下的使用需求。
5 結語
井下分布式控制的無線監測系統解決了集中式控制系統布線復雜、維護困難的問題，各采集節點相互獨立，可靠性高。經實驗驗證，系統滿載時分布式控制通信網絡系統巡檢周期為2.4 s，數據穩定可靠，可實現壓力變化的實時監測，提升了礦井頂板塌方災害的感知能力，促進了安全生產。但系統只是通過模擬測試，通信的穩定性和數據沖突等問題還有待實際使用驗證。
參考文獻
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