基于WSN的工作面液压支架监测系统的研究*

李峥，陈得宝

(淮北煤炭师范学院物理与电子信息学院，安徽淮北235000)

矿井液压支架监测方式通常有两种:一是井下人工读取数据后带到地面计算机进行数据分析处理；二是通过RS485总线或者现场总线进行远距离在线监测与数据采集传输到地面计算机显示和分析。很明显，第一种方式实时性不高，第二种方式优于第一种。但是，根据某煤矿项目的实际应用表明，第二种方式系统布线复杂，随着开采工作面的推进以及升降架等操作，有线网络极易被扯断，导致现场采集的压力数据无法上传到地面计算机，系统处于半瘫痪状态，使煤矿的安全留下了严重的隐患。针对目前国内在液压支架监测方面存在的问题，本文设计了一种基于无线传感器网络(WSN)的工作面液压支架在线监测系统。

1 压力传感器网络结构

本文设计的压力监测传感器网络结构如图1所示，包括传感器节点和汇聚节点(Sink节点)。压力传感器节点完成压力数据采集和多跳中继传输；簇头完成成员节点数据的收集、数据融合和转发的功能。Sink节点完成压力数据的汇集和无线与有线信号的转换，实现CAN总线接入，上传到地面计算机实时监控。传感器节点以分簇的形式构成网络，通过簇间多跳方式，将压力数据传到Sink节点，最终实现整个网络覆盖范围的液压支架压力监测。由于综采面液压支架推进相当缓慢，无线传感器网络的拓扑结构近似认为是直线型；同时每一个液压支架都已经编号，可以认为位置已知[1]。

1.1 压力传感器节点硬件设计

如图2所示，第一级网络主要由无线传感器网络构成，采用业界极具竞争优势的ATmega128L单片机，加上无线RF单元CC2420、信号调理模块AD620、压力传感器SLM211、液晶显示1602，采用5V/4 800mAh可充电锂电池供电。

1.1.1 微控制器模块选型

微控制器模块是无线传感器节点的计算核心，它负责节点设备控制、任务调度、通信协议、同步定位、数据融合和数据转储等程序的运行。微处理器选型主要从两方向考虑:(1)能够片上集成AD，具有较高的处理速度，低功耗，外围资源丰富等特点。(2)ZigBee协议对系统微处理器的要求有:至少是8 bit MCU；完全的协议栈:ROM＜32 KB；简单功能节点协议栈:ROM约6 KB；协调器还需要足够的RAM。用于保存节点器件数据库、传输路由表等。根据以上要求，本系统选用了ATmega128L微控制器，它是目前AVR系列中功能最强大的8 bit微控制器。ATmega128L在使用16 MHz时钟时，速度可达16 MIPS；它具有6种不同等级的低能耗操作模式；片上集成8路10 bit ADC通道、8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、UART、SPI、I2C总线和JTAG口等。它具有片内128 KB的程序存储器(Flash)，4 KB的数据存储器(SRAM)，在不外扩存储的情况下，能够满足对ZigBee协议栈的支持，芯片价值不足5美元，使其在性价比方面更具诱惑力[2]。

1.1.2 无线通信单元CC2420

CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，它实现ZigBee协议的物理层(PHY)及媒体访问控制器(MAC)层，具有超低电流消耗(RX:19.7 mA，TX:17.4 mA)，高接收灵敏度(-99 dBm)，快速唤醒时间(f＜30 ms)，支持数据传输率高达250 kb/s等特点。ATmega128L与CC2420连接如图3所示。

微控制器ATmega128L通过SPI口对CC2420进行工作模式的设置，通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入[3]。

1.1.3 压力传感器和信号调理模块

SLM211为硅压阻式压力传感器，量程为0～60 Mpa，0.4 mA恒流供电情况下，满量程输出电压信号只有30 mV左右，属于微弱信号。由于要求压力传感器达到满量程输出时，需要将输出的微弱信号放大到单片机可以识别的电压，因此对运算放大器提出了较高的要求。

本系统运放选用了AD620，它能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标；只用一只外部电阻就能设置放大倍数1～1 000；体积小，只有8个引脚；低功耗，最大供电电流为1.3 mA。AD620的2个内部增益电阻为24.7 kΩ，因而增益方程式为G=49.4 kΩ/Rg+1，对于所需的增益，外部控制电阻值为Rg=49.4/(G-1)(kΩ)。信号调理电路如图4所示，其中R7=100 Ω，R8=1 kΩ，精密电阻调到267 Ω，C9=0.1 μF。

1.2 Sink节点硬件设计

如图5所示，Sink节点和普通节点基本相同。这里考虑到存储能力的问题，外扩了一个容量为512 KB的FLASH存储器AT45DB401。现场总线通信部分由CAN控制器MCP2515和CAN收发器CTM8251T构成。对MCP2515的初始化和操作通过模拟SPI接口实现，读写函数程序分别记作void SPIByteWrite(uchar addr，uchar value)和uchar SPIByteRead(uchar addr)，源程序略[4]。

Sink节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与有线网络CAN总线，实现2种协议栈之间的通信协议转换，同时具有存储转发能力，并把收集的数据转发到外部网络上。

2 网络通信协议研究

网络通信协议负责使各个独立的传感器节点形成一个多跳的数据传输网络。在系统通信协议设计中，WSN采用分层通信协议，由物理层、数据链路层、网络层和应用层构成，并通过能量管理平台和任务平台实现对各层协议的有效控制，形成无线传感器网络的连通拓扑图结构。其网络结构如图6所示。

本文设计了一种适用于矿井的基于簇的结构路由选择算法，它是对LEACH协议的改进和简化，各个簇头已经指定，传感器的位置固定，直线型的拓扑认为不变，各个簇头节点能够进行相互通信。数据上传有2种方式:通过Sink节点发布查询命令；各个节点定时上传数据。同时，本系统还完成了Sink节点与用户PC机的交互通信设计，实现了网络管理所必须的控制信息传递，以及对压力数据的显示和分析[5]。

3 系统软件设计

软件设计主要包括传感器节点和Sink节点的软件设计。

3.1 压力传感器节点软件设计

压力传感器节点负责将采集到的压力数据传送给簇节点，同时，接收来自Sink节点的查询命令。当没有数据的发送、接收时，转入休眠模式，使节点功耗降到最低。其工作流程图如图7所示。

3.2 Sink节点软件设计

Sink节点一方面负责组建无线网络，另一方面将2个使用不同协议的网络连接在一起，实现2种协议之间的通信协议转换，同时发布管理节点的通信任务，并把接收的压力数据转发到外部网络上。Sink节点软件流程如图8所示。

4 系统装置测试及结果分析

鉴于实际应用中工作面距离井上调度室约4 km的情况，将Sink节点的CAN总线波特率设置为10 kb/s(理论传输距离6.7 km)，实际应用显示10 kb/s的传输速率完全能满足传输距离的要求。由文献[6]知，由于工作面存在金属支架和采煤机等设备，无线电信号强度衰减很大，通信距离在20 m的范围内。在前20 m时，RSSI值保持在-89 dbm，收包率保持在90%，但30 m时已经骤减到-92 dbm和54%，无法实现稳定的接收。因此为了保证无线网络的稳定性，采用每20 m设置一个簇节点，保证网络覆盖范围内压力数据的实时监测[6]。

4.1 测试结果

表1是在实际测试中，上位机软件记录的某一时刻20个液压支架设备的压力值。

表1 实际测试压力数据

4.2 结果分析

由表1可以观察到压力变化范围在20 Mpa左右的正常变化范围。从实时显示20个支架压力数据来看，相邻支架的压力变化不明显，所以可以根据测试结果对采集点进行分组，每1～2个支架安装一个传感器节点，既可以降低系统费用，又可以解决因采集点过于密集、数据量大带来的数据上传速度的瓶颈问题。同时通过上位机提供的历史数据曲线，可以方便掌握工作面周期来压规律、升降架次数、压力变化趋势等信息。

本文设计的基于无线传感器网络(WSN)的工作面液压支架在线监测系统，充分利用WSN的自组织网络、多跳路由通信和能量管理方案等特点，保证了网络的可靠性、独立性和网络的生存周期。实验测试表明，该系统在保证测量误差的情况下，可以很好地解决支架压力监测问题。作为功能的扩展，可以考虑在每个传感器节点上加入瓦斯传感器、温度传感器、烟雾和灰尘浓度等传感器，这样可以全面获得工作面的各个环境参数，更加有效地保障煤矿的安全生产。

[1]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社，2005.

[2]Atmel Inc.ATMEGA128L datasheet[DB/OL].2003.

[3]Chipcon AS SmartRF.CC2420 preliminary datasheet(1.2)，2004.

[4]饶运涛，邹季军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003.

[5]任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络[J].软件学报，2003，14(7):1282-1291.

[6]DING E J，WANG M Y，WEN J C，et al.Performance evaluation of 2.4 GHz wireless sensor nodes transmission in coal mine.2009 WRI World Congress on Computer Science and Information Engineering，2009:452-455.