基于ZigBee的无线顶板压力监测系统设计

张 磊，王晓荣，王希林，陈 燕

(南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816)



基于ZigBee的无线顶板压力监测系统设计

张 磊，王晓荣，王希林，陈 燕

(南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816)

针对目前矿井下有线顶板压力监测系统存在布线复杂、维护不便等缺点，提出了一套基于ZigBee平台，采用Cortex-M3为内核的STM32W模块设计开发的矿井压力监测系统。该系统通过CAN总线将测量点数据送到监测PC机，实现对矿井顶板压力数据的实时监控，同时记录历史数据从而能够研究顶板来压规律，为顶板管理提供参考依据。经过大量的实验验证，系统的硬件和软件程序工作可靠，操作方便，具有推广应用价值。

ZigBee平台；压力监测；STM32W；顶板压力

0 引言

在煤矿安全生产事故中,瓦斯和顶板事故为主要事故，煤矿顶板事故对矿井安全生产危害极大。据我国煤矿事故统计，顶板事故一直居各类事故首位。

目前国内市场上已出现很多煤矿顶板压力安全监控系统，其中大多采用通讯电缆连接监测设备，这样的有线网络方式不仅布线困难、操作复杂，且极易被扯断，从而导致现场采集的压力数据无法实时、可靠地上传到地面监测机，为煤矿的安全生产留下了重大隐患。随着无线数据传输技术的发展以及集成度越来越高的射频芯片的出现，使得基于无线传感网络技术的井下压力监测系统变为可能。因此，提出了基于ZigBee技术，采用新型集成无线射频模块结合无线传感器网络(wireless sensor networks ,WSN)技术，设计了顶板压力监测系统，实现了对顶板压力的实时监控。

1 系统总体设计

煤矿顶板压力监测系统由顶板压力检测装置和上位机监测系统组成，其中顶板压力检测装置由多个压力监测分站构成，主要实现压力信号实时采集、数据存储、显示等；上位机监测系统通过CAN总线实现对矿井顶板压力数据的实时监控同时记录历史数据并在接近或达到报警压力值时发出橙色或红色报警，促使安全部门采取有效措施，达到安全生产的目的。

本系统采用无线传感器网络的传感器节点作为顶板压力数据采集的终端,无线传感器网络简称WSN，是一种由大量小型传感器组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node(传感器节点)。此种网络中一般也有一个或几个汇聚节点(sink node)用来集中从小型传感器收集的数据。

传感器节点通过ZigBee无线通信的方式将数据传送到路由节点,路由节点继续采用无线通信方式将采集到的数据传送到汇聚节点，然后汇聚节点通过CAN总线把采集的数据传输至地面的管理监控站，如图1所示。其中传感器节点安装在液压支架上，对其前支柱、后支柱、前身梁3点进行压力采集，从而测出顶板压力变化。路由节点作为通讯的中继，实现汇聚节点与传感器节点的通信，传递采集到的数据，同时可以延长整个系统的距离通讯。汇聚节点是整个网络的协调器，可对传感器节点发送指令，汇总采集数据发送到上位机。

图1 顶板压力采集系统结构

2 系统硬件设计

压力检测系统中的网络节点主要有汇聚节点、路由节点和传感器节点，在无线配置部分都选择了高性能、低功耗的STM32W108为通信处理芯片。以传感器节点为例，其节点的设计结构图如图2所示。

图2 传感器节点结构图

2.1 信号采集模块

设计中压力传感器采用PC10系列硅压阻式压力芯体，有别于传统的硅应变片式传感器，具有测量精度高，稳定性好、使用寿命长等特点，同时固化结构中有极大的内部阻抗，功耗更低。PC10系列是将扩散硅压力敏感芯片封装到316L不锈钢外壳中，外加压力通过不锈钢膜片、内部密封的硅油传递到敏感芯片上，敏感芯片不直接接触被测介质，形成压力测量的全固态结构，可适用于各种场合，包括恶劣的腐蚀性介质环境。

由于采集信号的幅值范围比较广，因此选用具有较宽共模输入范围的集成单电源仪表放大器AD623。该模块能在单电源下提供满电源幅度的输出，允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，因此灵活性更好。能够提供极好的交流共模抑制比从而保持最小的误差，其允许使用单个增益设置电阻进行增益编程,灵活性高，使用方便，并且能降低系统的功耗，同时改善系统采集信号的信噪比，原理图设计如图3所示。

图3 压力信号采集模块

2.2 数据处理与无线通讯模块

STM32W108是一个完全集成的系统芯片，该芯片集成了符合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz收发器、32位ARM Cortex-M3微处理器、Flash闪存、RAM存储器以及基于ZigBee系统使用的很多通用外设[1]。此芯片相比现在常用的8位的8051，8052，其32位处理器处理能力更快，同时在保持低功耗的基础上，内部自带有功率放大器(PA)，发射功率可以+7 dBm，从而无需外部功放就可以获得更大的通信距离。另外，STM32W108对于那些要求非常长的待机功能的应用，具有休眠模式和可以短时间转换到主动模式的功能，从而能够成为最理想的解决方案。

STM32W108 的无线接收器是一种低中频、超外差接收器，它可以和其他设备共用 2.4 GHz 频段。接收器使用差分信号通路，以减少对噪声干扰的敏感性。信号经过射频放大、下变频、滤波，最后ADC量化，其无线射频结构如图4所示。

图4 STM32W108无线射频结构图

芯片内部集成了RF收发功能，为了更好地引入谐波信号，在双向的RF端口需匹配相应硬件电路，包括外置的带通滤波器滤除不需要的谐波。设计中选用2.4G ZigBee SMA天线，其驻波比≤2.0，增益为2.0 dBi，从而能够实现节点更长的通讯距离和更稳定的通讯效果。

2.3 CAN通讯模块

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)的简称，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境[2]。

随着CAN总线的普及，在一些远距离的应用中，会面临一些强电磁干扰、高共模电压等问题，容易造成通信异常，严重情况下甚至损坏整个网络。因此对各个通信节点进行隔离是保证系统稳定性一个有效的手段。设计中CAN通讯模块用到的ADM3053是一款隔离式控制器区域网络(CAN)物理层收发器，集成隔离DC/DC转换器，符合ISO 11898标准。该器件采用iCoupler技术，将双通道隔离器、CAN收发器和isoPower DC/DC转换器集成于单个SOIC表贴封装中。片内振荡器输出一对方波，以驱动内部变压器提供隔离电源。该器件采用5 V单电源供电，提供完全隔离的CAN解决方案。原理图设计如图5所示。

图5 CAN通讯模块

汇聚节点把路由节点传输的数据通过CAN总线传输至地面的管理监控站，实现对井下压力的实时监控。

3 系统软件设计

ZigBee规范是一组高层通信协议，使用基于 IEEE 802.15.4-2003 的小型低功耗无线射频。ZigBee是近年来快速发展的WSN的规范之一，普遍适用于低速率、低功耗并且安全的无线网络[3]。

3.1 节点网络结构与通讯协议

ZigBee平台的井下压力采集中，传感器节点安装在液压支架上，3路数据采集模块，对液压支架前柱、后柱和前伸梁进行压力采集。虽然液压支架会随着煤炭开采的推进而前进，但移动的距离不远，因此在顶板工作面上，节点的分布是长带状的。由于液压支架在工作现场物理布局呈现狭长状态，其长度一般会延续数百米而宽度相对来说小得多，所以结合能量消耗均衡等问题，监测网络的拓扑采用簇型线状网络结构[4]，如图6所示。

图6 簇型线状网络结构

考虑到大型煤矿顶板工作面长度超过200 m，无线组网不能采用单一接收装置，必须设计成传递方式接收数据使数据从远处的设备接力传输到近处的设备。同时ZigBee井下无线通讯采用点对点方式接力传输，从而可以延长压力设备的传输距离[5-6]。

系统的传感器节点、路由节点和汇聚节点之间采用自编的协议通信。如表1所示，其中，功能码01 表示对采集分站进行采集数据，除此之外系统内还有设置采集分站地址，设置采集分站时间等功能分别用不同的功能码表示；地址01 表示1号设备。第一组数据为1号采集分站采集到的压力值，1个采集分站共有3路采集模块。校验位为标准CRC校验。

表1 1号采集分站数据包格式

3.2 传感器节点软件设计

传感器节点是对压力检测数据进行采集并上传，其运行流程图如图7所示。初始化包括硬件初始化、串口初始化、中断使能等，然后发送一个问询指令在信道搜索网络上进行搜索匹配，当与汇聚节点发送的信号匹配后，会更新自己的地址和汇聚节点保持一致，从而加入指定的汇聚节点，进行数据传输。如果没能第一时间与相应汇聚进行连接，会间隔30 s，重新发送问询加入指令，直至与对应的汇聚节点完成连接。

图7 传感器节点流程图

3.3 汇聚节点软件设计

井下检测系统的通讯架构是由汇聚节点来形成网络并发送广播，路由节点和传感器节点搜索信道网络，并申请加入，从而进行数据传输，如图8所示。加入网络前的初始化部分与传感器节点相类似。

图8 Sink节点流程图

汇聚节点首先形成网络，网络构建完成后就可以给申请加入网络的其他节点分配地址创建列表，与它们相互通讯，接收子节点上传的数据。然后处理无线网络接收到的数据，再通过CAN总线上传到矿上的监测机。同时，上位机也可以反向方式向下传送监测机的命令指令，然后汇聚节点向网络中所有节点发送，从而实现上位机与井下检测网络节点相互通讯，达到控制压力检测的效果。

4 实验结果

为了验证整套系统设计的可行性，将本系统测得的数据和标准液压压力计测得的数据进行对比分析。实验中选用1个传感器节点进行采集压力值，无线传输经过1个路由节点后传输到1个汇聚节点，通过CAN总线连接到电脑。实验对比结果如表2所示。

表2 实验测试结果对比

5 结束语

设计了一种基于ZigBee平台的矿井顶板压力监测系统，可实现对矿井下各顶板压力的实时监测,为预防顶板冒顶事故的发生提供科学的依据。将无线传感网技术应用到煤矿安全监测中，取代传统的有线监测方式是未来发展的趋势，同时新推出的STM32W系列无线模块的高性能、低功耗的特点具有广阔的发展空间和市场应用前景。

[1] 沈建华，郝立平.STM32W无线射频ZigBee单片机原理仪应用.北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[2] 丁铖，孟国营，崔国梁，等．基于ARM 和CAN总线的液压支架压力监测平台的设计．仪表技术与传感器，2012(11):169-172.

[3] 贺文.基于 IEEE802.15.4/ZigBee 的无线传感器网络研究：[学位论文].杭州：浙江大学，2006.

[4] 刘日成，李金海，徐春超．矿用液压支架压力监测系统在综采工作面的应用．煤矿安全，2012,43(6)：67-68．

[5] 丁恩杰，孟祥，李晓．基于无线传感器网络的井下液压支架压力监测系统设计.煤矿机械，2010,31(10)：139-141.

[6] ALEMDAR H,ERSOY C.Wireless Sensor Networks for healthcare．Computer Networks,2010，54(15)：2688-2710．

Design of Wireless Roof Pressure Monitoring System Based on ZigBee

ZHANG Lei,WANG Xiao-rong,WANG Xi-lin,CHEN Yan

(School of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

For the current wired mine roof pressure monitoring system exists shortcomings of wiring complexity and maintenance inconvenience,using the Cortex-M3 core STM32W module,a mine pressure monitoring system was proposed based on ZigBee platform.The system transmitted data of the measure points to PC monitor through CAN bus,realized real-time data monitoring of the mine roof pressure while recording historical data,allowed the roof to pressure law studies and provided reference for roof management.A number of experiments show that the system's hardware and software program are reliable,easy to operate and have popularization and application value.

ZigBee platform; pressure monitoring; STM32W; roof pressure

2014-03-29 收修改稿日期：2014-11-01

TN98

A

1002-1841(2015)04-0054-04

张磊(1990—)，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。E-mail：515156249@qq.com