微功耗无线围岩变形监测系统设计

秦海涛

(中国煤炭科工集团天地科技股份有限公司1,北京 100013;煤炭科学研究总院开采设计研究分院2,北京 100013)

微功耗无线围岩变形监测系统设计

秦海涛1,2

(中国煤炭科工集团天地科技股份有限公司1,北京 100013;煤炭科学研究总院开采设计研究分院2,北京 100013)

巷道围岩变形监测是评价巷道支护质量、优化支护参数和保障顶板安全的重要手段。当大量安装围岩变形监测传感器进行监测时,经常遇到无稳定外部交流电源供电且布线繁琐等问题,为此开发了一种微功耗定时采样的围岩变形监测系统。采用电池供电和ZigBee无线传输方案,通过本质低功耗设计、软件优化设计和电源管理降低系统功耗。实测结果验证该系统最低工作电流可达到微安级,系统不需要更换电池就可以正常工作3年以上。

定时采样 自动采样 无线 围岩变形 微功耗 MSP430

0 引言

在巷道挖掘后或开采过程中,煤体的原有应力平衡状态被破坏,煤体就可能发生变形破坏[1]。因此有必要在巷道内布置围岩变形监测系统,科学评价巷道支护质量,优化支护参数,及时预警,保障顶板安全。

围岩变形监测系统一般在顶底板、两帮、锚杆、锚索布置围岩移动传感器、应力传感器,用于监测支护体变形和受力状态。巷道一般长达数千米,传感器数量较多[2],若采用电缆为传输介质,常常会遇到安装费时、布线繁琐和线缆断裂等难题[3]。

1 系统结构设计

无线围岩变形自动监测系统主要由传感器、无线数据通信网关和地面监控主机组成。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

传感器负责采集围岩变形量、锚杆受力、锚索受力数据,并通过无线通信的方式将数据传输至无线数据通信网关。无线数据通信网关负责收集所有传感器的监测数据并将其打包发送至地面监控主机。

考虑到传感器数量众多且需灵活布置,故采用内置电池供电。传感器由电源管理单元、数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元组成,包含电池、传感器、低功耗处理器、时钟芯片、模数转换芯片、非易失性存储器、无线收发模块[4]等器件。数据采集单元负责将被测围岩变形量、锚杆受力、锚索受力信号转换成模拟电信号并输出给模数转换器件,之后由模数转换器件将其处理为数字信号;微处理器通过执行软件程序,调用存储器初始化参数,按照算法得到与被测参数相对应的测量数据并存储至非易失性存储器,最后通过数据传输单元与无线数据通信网关进行数据传输。

传感器结构如图2所示。

图2 传感器结构图Fig.2 Structure of the sensor

低功耗设计是整个系统设计最重要的部分。基于本质安全规范对电池的容量有严格的限制[5-6],单靠提高电池容量并不能解决问题。在这种前提下,唯一可行的办法就是进一步降低系统功耗和优化采样过程。

系统功耗的降低主要有以下几个可行的方案[7]:①本质低功耗设计,即通过器件选型、电路设计、电磁兼容设计等保证系统有效运行时功耗保持最低;②电源管理,即尽量选取具有功耗管理功能的器件,在系统运行时,通过软件控制实现对不参与目前工作的器件进行断电或休眠;③软件优化设计,即通过软件,精确控制系统的最小运行时间,减少无谓的空闲等待,避免异常功耗。一个可靠的低功耗系统设计,必须综合考虑以上几种方案。

(2)混合体系组分中芳香烃为主的方案的MMP最大、环烷烃为主的方案的MMP次之、烷烃为主的方案的MMP最小，这与单组分烃类的实验结果相符。其主要区别在于，混合烃组分/CO 2的MMP均小于相同碳数的单组分/CO2的MMP。不同族烃类具有不同的碳数与最小混相压力拟合式。

2 最小功耗硬件电路设计

为使传感器功耗降到最低,电路元器件应尽量选取微功耗器件及带有功耗管理的器件;逻辑器件尽量选用具有内部关断功耗功能的CMOS器件,以减小输入驱动电路和保证可靠的输出驱动能力,同时能根据系统运行情况,在不工作时自动关闭电源和时钟,进入低功耗待机状态。所有空闲的CMOS器件输入端都应作接地处理,防止因静电感应造成逻辑状态意外翻转,导致系统工作异常[8]。

本设计选用微功耗单片机MSP430F247作为系统处理器件。该单片机具备5种低功耗模式,在RAM保持模式下,最低可达0.1 μA[9-10]。使用外部中断唤醒时,进入活动状态仅需1 μs。该单片机可工作在1.8～3.6 V工作电压,工作电流仅为270 μA,且集成带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的12位A/D转换器。片内LCD可直接驱动LCD显示芯片,集成2路自动波特率检测功能的增强型通用异步接收发器UART,非常适合低功耗电路设计使用。时钟芯片选用SD2403[11],SD2403是一种内置晶振、具有标准IIC接口的实时时钟芯片。该芯片年误差小于2.5 min,内置单路定时/报警中断输出,报警中断时间最长可设至100年,其典型工作电流仅为1.1 μA。LDO稳压器选用CAT6219,其具有仅1 μA的“零”停机电流模式和极低的55 μA地电流,500 mA满负载时地电流仅85 μA,是电源电压为2.3～5.5 V电池供电设备的理想选择[12]。无线收发模块选用美国CEL公司的ZICM2410低功耗ZigBee模块,其低速率、高可靠性、网络路由功能强大、自恢复及冗余性能优异等特点非常适合巷道短距离无线传输应用[13-14]。

电源管理的设计思路为:通过时钟芯片SD2403控制系统的采样周期,每间隔预设的固定时间,电源管理单元自动给系统上电,系统进行模拟量采样、数据存储并无线传输至地面监控主机。数据传输结束后由处理器发出指令切断系统电源供给,此时,除电源管理单元外,系统其他所有电路均断电,直至下一次预设的采样时间到来并重复以上过程。电源管理单元主要由CAT6219低压差线性稳压器、SD2403实时时钟芯片、微功耗单片机MSP430F247组成。电路设计如图3所示。

CAT6219负责给除电源管理单元外的传感器其他器件供电,不采集时断电。EN引脚为控制引脚,高电平时开启供电,低电平断电,由MSP430F247处理器的P2.0引脚控制。SD2403中断输出INT与MSP430F247处理器的P1.0引脚连接,作为MSP430F247微处理器的中断唤醒输入引脚。系统运行分为以下两个步骤。

步骤1:传感器首次接入电池之后,MSP430F247处理器进行端口和寄存器初始化设置,程序设置SD2403时钟芯片的下一次中断时间;然后由P2.0引脚输出低电平使CAT6219关闭,除电源管理单元外其他器件均断电;随后MSP430F247处理器进入LPM4微功耗休眠模式。

图3 传感器电路图Fig.3 Circuit of the sensor

步骤2:到达预设中断时间后,SD2403时钟芯片INT引脚输出低电平,导致MSP430F247处理器P1.0引脚出现一个下降沿脉冲而结束休眠模式,P2.0引脚输出高电平使CAT6219开启,系统所有外设都上电。程序重新设置SD2403时钟芯片的下一次中断时间,然后开始采样并数据传输。数据传输结束后由P2.0引脚输出低电平,使CAT6219关闭,除电源管理单元外其他器件均断电。随后MSP430F247处理器进入LPM4微功耗模式。

无线数据通信网关作为数据的汇集节点,由于布置数量不需太多且可以布置在方便获取交流电的位置,因此可采取常规的无线转光纤、RS-485总线等设计方式,通过光纤或电缆与井下交换机或者直接与地面监控主机连接。设计电路不另作详细叙述。

3 软件设计

传感器软件的主要功能是自动完成对监测点的数据采集和传输。此外,在完成这些基本设计功能的前提下,软件设计还需考虑对电源管理的优化、传感器无线模块之间路由规则优化等,精细控制系统工作时间。硬件程序采用C语言编写。

每次采样周期到来时系统软件流程具体如下,系统应先对SD2400时钟芯片进行设置并对本次中断标志清零,通过写时间报警允许寄存器07H～0EH来清除上次报警中断,同时设置下次报警中断时间,即精确控制电源按预设的时间间隔开启。同时,应设置中断允许位INTAE和控制寄存器2,使INT引脚为报警中断输出。报警中断模式位IM设置为0,即单事件报警。

MSP430F247处理器每次唤醒后完成采集和数据发送过程,随后发出断电指令并自身再次进入LPM4休眠模式。

传感器系统软件工作流程如图4所示。

图4 系统软件工作流程图Fig.4 The work flow of system software

部分主要程序如下。

为减少微处理器有效运行的占空比,传感器与无线数据通信网关进行数据传输的过程应尽量通过中断程序实现。例如当通信波特率为9 600 bit/s时,发送1字节需要1 ms;而以1 MHz时钟执行TXBUF0=Chr赋值的过程仅需1 μs,在等待数据发完的过程要浪费1 000个CPU周期用于查询。若将等待过程进入LPM3休眠模式,可大大节省CPU耗电。

数据传输程序如下。

上位机软件采用VC语言编写,实现围岩变形和锚杆、锚索受力数据进行数据库写入、数据分析、实时曲线显示和报表输出等功能。围岩变形曲线如图5所示,锚杆工作阻力分布频率显示界面如图6所示。

图5 围岩变形曲线Fig.5 Wall rock deformation curves

图6 锚杆工作阻力分布频率显示界面Fig.6 Display interface for frequency distribution of anchor rod working resistance

4 功耗计算和测量

由于MSP430F247处理器在采样时处于活动状态,在数据传输时间歇性工作在LPM3休眠和活动状态。系统平均电流计算公式为[14]:

式中:Ii为第i种状态下的功耗;Ti为第i种状态的持续时间;IS为系统中其他外设的固定功耗。

为了简单起见,我们取MSP430F247处理器唤醒后一直工作在活动状态,式(1)可简化为:

式中:T1为休眠时间;I1为休眠时的电流;T2为唤醒运行时间;I2为唤醒运行时的电流;IS为系统中其他外设的固定功耗。

实际使用过程中,鉴于围岩变形监测系统并不要求过快的采样周期,因此,系统每次将SD2403报警中断设置为1 h,即系统每间隔1 h采样一次,每次采样和数据传输时间持续10 s。

MSP430F247处理器大部分时间处于LPM4休眠模式,功耗仅0.1 μA(I1);周期性地被唤醒时,以1 MHz的主频进行工作,功耗约270 μA(I2)。SD2403时钟芯片工作电流为1.1 μA,CAT6219停机模式电流为1 μA,取500 mA满负载时地电流85 μA为采样阶段电流,系统中ZICM2410等其他外设的固定功耗取实测最大值约50 mA,可计算得系统平均电流为:

计算的系统平均电流为142 μA。系统采用一节标准电压为3.6 V的ER18505型4 000 mAh一次锂铔硫酰氯电池供电,理论可持续工作时间为:4 000 mAh/ 0.142 mA=28 169 h,约1 173 d。

5 结束语

采用本质低功耗、电源管理设计的无线围岩变形自动监测系统,在实现对巷道两帮和顶、底板变形量以及锚杆受力、锚索受力状态进行实时在线监测的同时,解决了在缺乏稳定可靠的外部电源供电的环境下进行长时间自动监测的难题。采用短距离无线数据通信方式,节省了布线操作,维护简单。本方案通过巧妙的电源管理设计,即仅在采样和数据传输过程中消耗电池电量,而在断电阶段,只有电源管理单元维持工作,使得系统功耗大大降低,平均工作电流仅为142 μA。系统采用单节4 000 mAh电池,理论上即可一次性工作3年以上时间。

在软件设计方面,通过精确的程序设计,系统每次开机的采样和数据传输都采用间歇性休眠和活动状态来最大限度降低系统的空闲等待时间,节省功耗。通过精确控制采样和数据传输时间,系统每次上电工作缩短至几秒之间,实现了智能化定时采样通信和微功耗系统巧妙结合。

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Design of the Wireless Deformation Monitoring System with Micro-power Consumption for Roadway Wall Rock

Deformation monitoring of roadway wall rock is very important means for evaluating supporting quality,optimizing supporting parameters and ensuring safety of the roof.When installing large amount of deformation sensors for monitoring,there may not be stable external AC power supplies,and the wirings are tedious.Thus the micro-power consumption and timely sampling roadway deformation monitoring system is developed.The system is powered by batteries;and the ZigBee wireless transmission strategy is adopted.Through essentially low power design and optimized software design,the results of practical test verify that the minimum operating current is in μA level,the system can be operated normally up to three years without replacing the batteries.

Timed sampling Automatic sampling Wireless Roadway deformation Micro-power consumption MSP430

TH862

A

天地科技股份有限公司开采设计事业部青年创新基金资助项目(编号:KJ-2013-TDKC-13)。

修改稿收到日期:2014-04-24。

作者秦海涛(1981-),男,2007年毕业于中北大学微电子学与固体电子学专业,获硕士学位,助理研究员;主要从事矿用监测监控、通信系统、传感器等的研究。