采用SmartMesh网络的顶板离层监测系统设计

胡　亮

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

0　引言

煤矿的巷道顶板离层是生产过程中的安全隐患，严重威胁着煤矿的安全生产[1]。现有的巷道顶板离层监测系统大部分是通过有线网络建立的，存在安装采煤工作量大、成本高以及维护困难的问题。随着煤矿采煤工作面的不断变更，有线监测系统如不能灵活调整、扩展，将造成资源浪费[2-3]。无线监测系统多采用ZigBee和WaveMesh两种通信网络。由于ZigBee需要路由节点进行中继且不能休眠，导致综采面需要本安电源给路由节点供电，增加了系统故障率、降低了系统可靠性；WaveMesh网络中节点休眠和工作电流大，缩短了传感器的电池备用时间，增加了系统维护工作量[4-5]。基于此，设计了一种基于SmartMesh链状无线传感网络的低功耗无线顶板离层监测系统。

1　SmartMesh网络特点及系统结构

1.1　网络特点

SmartMesh是由Linear公司推出的一款基于6LoWPAN和IEEE 802.15.4e标准的低功耗无线自组网协议。网络由管理器和节点组成。1个网络中，只有1个管理器和最多100个节点[6]。管理器和节点通信具有节点主动上传数据和管理器全网广播2种模式。管理器负责网络组建、管理及接收节点数据，不能休眠。节点可休眠，负责数据上传、中继，最多支持32次中继。网络组建后，节点自动选择可通信范围内的3个最优链路的上游节点作为中继父节点，并每隔一段时间根据网络状态进行1次动态优化。数据上传时，节点自动选取最优路径进行传输。因此，当网络中存在少量节点故障时，系统仍能保证网络可靠性。节点休眠功耗为1.2 μA，最大发射功率为8 dBm,发射电流为9.7 mA，具有超低功耗的特点[7]。表1为SmartMesh网络主芯片LTC5800与ZigBee网络主芯片CC2530、WaveMesh网络主芯片CC1110N的主要技术参数。

表1　主要技术参数

1.2　系统结构

系统由地面和井下两部分组成，包括顶板离层传感器、信号转换器、网络交换机和数据处理主机。传感器包含Mote电路，安装在井下巷道顶板，对顶板离层位移状态进行实时监测，安装间隔一般为50 m。信号转换器包含Manager电路，安装在井下巷道端头，负责采集网络中传感器的顶板位移数据，通过RS-485数据包的格式发送至以太网；地面调度室上位机通过串口服务器虚拟出的串口阅读数据包中的数据，经过解析后，得出各监测点的顶板位移数据，并且绘制实时曲线图。系统可查询历史数据，并具有报表打印等功能。无线顶板离层监测系统结构如图1所示。

图1　系统结构图

2　设计过程

2.1　传感器设计

2.1.1传感器硬件设计

传感器安装于井下巷道顶板，对顶板浅基点及深基点的位移参数进行实时监测，并通过无线网络将数据上传至信号转换器。巷道顶板离层发生变化时，带动深基点和浅基点的探头变化，从而导致磁敏角度传感器发生电压信号变化。微控制单元(micro controller unit,MCU)通过内部12位模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)采集电压，即可得出顶板位移变化。由于传感器安装位置不便于维护，要求电池备用时间超过1年[8]，因此采用5 Ah具有低自放电效应的锂亚硫酸氯电池供电。锂亚硫酸氯电池是锂电池的一种，具有自放电率超低、尺寸小的特点，非常适用于低功耗系统。

传感器硬件采用分区、分时供电设计，软件采用休眠控制方式实现低功耗的控制。传感器硬件框图如图2所示。

图2　传感器硬件框图

在组网成功状态下，1#电源开关关闭，MCU进入休眠并每隔一段时间自动唤醒进行采集、发送数据；2#电源开关用于控制无线通信单元的供电，当传感器长时间找不到网络时，MCU控制2#电源开关关闭并进入休眠状态，以降低传感器功耗。传感器可通过红外遥控器和数码管显示单元对传感器进行初始设置。正常状态下，遥控和数码管电路不工作。当矿灯照射传感器显示窗时，光感电路感受到光强度变化，向MCU发送触发信号。MCU控制数码管显示配置信息和实时采集位移值。

2.1.2传感器软件设计

传感器软件主要实现初始化、位移量采集转换、数据发送和低功耗控制功能。首先，MCU对通用异步收发传输器(universal asychronous receiver/transmitter,UART)、ADC、定时器等功能模块进行初始化配置，读取传感器的设备地址、网络ID等配置信息。通过UART接口与无线模块进行握手通信，确认双方处于正常工作状态。然后，MCU设置无线模块的工作模式并向无线节点发送组网申请命令字，向控制节点发送加入网络申请。ADC根据MCU内部实时时钟(real time clock,RTC)每小时采集1次。采集电压信号后，根据函数公式计算出位移数据,然后根据组网状态进行存储或发送。组网状态下，数据发送完成后，MCU关闭外围电路电源并进入休眠状态，1 h后再通过RTC定时器自动唤醒并进行数据采集；未组网状态下，MCU将数据存储到FLASH中，组网成功后再将数据通过UART发送到网络中。光敏和红外电路硬件连接MCU的外部中断源，可在MCU休眠状态下强制唤醒，操作完成后MCU自动恢复到休眠状态。传感器软件流程如图3所示。

图3　传感器软件流程图

2.2　信号采集器设计

2.2.1信号采集器硬件设计

信号采集器采用外部本安电源供电，一般放置在巷道端头[9]。其负责组建SmartMesh无线网络并对网络中的传感器进行管理，将顶板位移数据通过RS-485上传到交换机环网。采集器主要由MCU、无线管理节点、RS-485通信模块、看门狗电路、声光报警电路、LCD液晶屏和红外遥控电路组成。采集器的初始化除通过系统地面中心站用软件进行设置外，还可以通过采集器内以红外接收芯片为核心的遥控电路，使用红外遥控器进行就地手动初始化设置并保存，无须打开机盖。设置内容包括通信波特率、网络ID、本机地址等。

MCU通过具有硬件流控制的UART接口与无线管理节点实现半双工通信，控制无线管理节点管理无线网络，对网络中的顶板离层传感器进行初始配置、数据采集等操作。MCU将接收到的传感器数据解析后，对数据进行LCD显示、超限报警处理并转换成有线传输(RS-485)的数据格式，再借助工业以太网平台上传到监控中心。如果交换机与采集器的RS-485通信断线，采集器将解析的数据存储到内部的FLASH中，待通信恢复后再进行上传，保证了数据的连续性。看门狗自动复位电路可实现对集器内主板的电源及程序运行情况的监测。当出现电源电压过低或因意外造成分站程序跑飞时，及时向控制系统输出复位信号使之自动复位，以恢复正常工作。信号采集器硬件框图如图4所示。

图4　信号采集器硬件框图

2.2.2信号采集器软件设计

信号采集器软件流程如图5所示。

图5　信号采集器软件流程图

采集器上电后，首先初始化MCU的UART、定时器等功能模块，读取铁电存储器中的传感器地址、网络ID等配置信息，并在LCD进行显示。Manager无线模块与MCU通过UART接口进行通信，Manager与MCU首先进行握手通信，确认双方的底层链路是否正常。若握手不成功，在多次初始化操作后，由LCD进行故障提示。握手成功后，MCU可对Manager进行网络ID、上报信息类型等配置；然后，发送组建网络命令，控制Manager组建无线网络，等待可通信区域内的传感器加入无线网络。网络组建完成后，Manager可对网络内传感器发送信息，也可接收来自传感器内无线模块的数据；然后，Manager通过UART发送数据到MCU进行分析处理，并在LCD实时显示传感器采集的数据。由于系统要求多个传感器在同一时刻进行数据采集发送，故采用硬件流控制的方法解决Manager与MCU通信存在的数据并发冲突。

2.3　中心站软件设计

中心站软件通过交换机环网获取传感器采集的顶板位移数据，经过数据解析可实时完成顶板离层变化量和变化速度分析，并绘制规律曲线等相关显示图，同时完成离层日报表查询和打印，以及根据数据进行分析预警。软件平台由数据采集层、数据处理层和展示层构成。其通过交换机环网获取井下传感器采集的顶板位移基础数据，建立各类分析模型，对各类数据进行实时自动分析；必要时，还可以集中研究平台端的分析过程，出具分析报告，更好地为煤矿提供矿压分析服务。

数据处理层是整个系统的核心，由Active MQ服务器、平台分析程序、数据库3部分组成，负责从Active MQ服务器中接收各地传输到数据中心的数据包，对数据包分类、解析，并将原始数据存储到数据库中；然后，对原始数据进行再次分析，得到分析结果，再存入数据库供Web终端查询使用。展示层是系统与用户的交互层，以B/S架构实现。其包括数据库访问模块、业务逻辑处理模块、图形模块、历史数据显示模块、曲线显示模块、实时数据显示模块以及各类数据查询显示模块、报表分析模块等。软件平台具有实时、准确、高效的特点，能为煤矿提供及时、准确的来压预警、顶板灾害状态评估等服务。

3　现场应用分析

为验证系统的可靠性，在山西某煤矿井下综采工作面现场进行安装试验。巷道长度约为2 000 m，每隔50 m安装1台顶板离层，传感器总数为40个,分别对监测点的深基点变化量、浅基点变化量监测。自2017年1月至今，系统稳定运行。现场应用结果证明，基于SmartMesh网络设计的顶板离层监测系统数据采集可靠、无线传输稳定，满足煤矿巷道顶板位移的监测需要。

4　结束语

基于SmartMesh链状无线传感网络设计的顶板离层监测系统，无需由本安电源供电的中继器进行信号中继，具备全网休眠、信号中继、超低功耗的特点，解决了目前监测系统存在的可靠性、实用性差的问题。现场应用结果表明，系统稳定、可靠，实现了真正意义上的顶板离层无线监测。

参考文献:

[1] 周李兵,孙骏驰.煤矿巷道顶板离层监测系统设计[J].工矿自动化,2012(4):94-97.

[2] 胡晓春,程永强.基于ZigBee低功耗顶板离层仪的研究[J].煤炭技术,2015,34(5):247-250.

[3] 王璐.一种新型矿用无线顶板位移在线监测系统的设计[J]．煤矿机电,2015(6):78-80.

[4] 李学哲,封孝辉,胡兴志，等.基于ZigBee技术的巷道顶板离层检测传感器设计[J].煤炭工程,2014,46(3):124-127.

[5] 赵琦,陈惠英,郑丽君，等.基于Mesh网络的顶板离层监测系统开发[J].煤炭技术,2016,35(5):260-263.

[6] 赵庆川.基于无线Mesh网络的瓦斯监测节点设计[J].自动化仪表,2016,37(10):102-104.

[7] 王学水，吕杨.基于MMA253F角度传感器的顶板离层仪的设计[J].煤矿开采，2013,18(6)：83-85.

[8] 樊健，何小刚.基于ZigBee技术的顶板离层仪网络研究[J].煤炭工程，2014,46(6):144-149.

[9] 郭书英.多基点顶板离层指示仪设计[J].煤炭工程,2017(3):122-125.