无线传感器网络在矿压监测系统的研究及应用

朱书梅 薄一龙

1 技术方案

1.1 无线矿压监测系统结构的设计

对传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、无线通讯技术、网络安全技术等一系列先进技术进行了研究，设计出通用的软硬件体系模型（见图1）。

图1 矿用无线监测系统结构模型

根据图1 表示的矿用无线监测系统结构模型，依照GB 3836-2006《爆炸性气体环境用电气设备》，结合矿井支架的具体要求，设计了无线矿压监测系统（见图2）。

图2 无线矿压监测系统

如图2 所示，各个无线矿压采集节点和无线网关之间形成一个自组织的网络，无线矿压采集节点采用电池供电，无线网关采用稳压12 V 电源供电，通过CAN 总线实现地面数据监视和处理部分与井下设备通信。

1.2 无线矿压采集节点的设计

无线传感器节点是无线传感网络的组成单元，可以看作是一种非常小型的计算机，一般由4 个部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。无线传感器网络可以在任何时刻、任何地点，不需要任何现有基础网络设施，包括有线和无线设施支持的条件下，快速构建起一个移动通信网络。网络的运行维护管理等完全在网络内部实现。网络还需要一些基站来建立传感器网络与外界的联系，但各传感器节点构成的网络依然是一个自组织的无中心的无线网络。

1.3 无线网关设计

无线网关的功能是建立和各采集节点的通信路由并保持通信，与上位机通信将各节点采集数据上传，同时上位机可以通过网关向各个采集节点发送命令。其硬件部分和节点设计基本相同。

1.4 上位机通信与数据分析处理软件

整个上位机监控系统主要由数据采集、数据处理、数据存储3 大部分组成。数据库管理服务器包括数据库服务器和数据库。数据库服务器负责各个模块与数据库之间的交互，使数据库对其他模块透明。数据库用来存储数据。数据处理服务器负责将接收上来的数据进行解析，然后将其送往系统管理服务器。系统管理服务器主要负责与用户交互，使用户能根据需要配置整个系统，按需求显示监控数据，查询历史数据等。

2 创新成果

2.1 无线矿压采集节点的研制

成功研制了基于ZigBee 技术和低功耗技术的无线矿压采集节点。该节点安装在液压支架上，通过液压油管与液压支架前后柱连接，自主不间断采集液压支架压力数据，通过无线通信的方式将数据发送至中继无线网关。该无线矿压采集节点最大功耗仅为132 mW，无线桥接距离可达80 m～100 m。无线矿压采集节点具备自组网功能，可自动规避故障、阻塞和自适应路由，优化带宽。无线矿压采集节点具备数据存储功能，当总线故障时，无线矿压采集节点可以继续监测矿压数据并存储，当总线恢复时，数据可以补充上传。

2.2 节点间的路由协议的研究

针对煤矿无线通信环境，开发了独特的基于最小跳数的能量自适应路由算法。该路由算法的关键思想是利用到sink 节点的最小跳数和路径节点最小剩余能量作为路由选择度量来完成信息包的转发。

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传感节点发送信息时，首先搜索本节点的下一跳可用节点集，从中选择路径节点最小剩余能量最大的节点进行转发，下跳节点接收到该信息后作同样的处理，直至发送到目的节点为止。

通过综合监测分析当前网络跳数、带宽+时延、信号强度、链路质量，实现网络路由路径的自动优化、点到点、点到网关最佳路径自动选择，自动规避阻塞和故障。

2.3 无线网关的研制

成功研制了基于ZigBee 技术和CAN2.0 协议的无线中继网关。无线网关的功能是建立和各采集节点的通信路由并保持通信，与上位机通信将各节点采集数据上传，同时上位机可以通过网关向各个采集节点发送命令。

2.4 上位机软件的开发设计

成功研制了基于ZigBee 技术和CAN2.0 协议无线通信上位机数据分析与处理软件。软件通过采集从数据基站上传的原始数据，解析成应用数据后存入数据库中，同时可以实时监控各节点及基站的通信、路由、数据等状态。

通过以上设备及软件的研制和开发，建立了一套基于ZigBee 技术和CAN2.0 协议的矿井无线压力监测系统。该系统主要由上位机数据分析与处理软件、地面监控主机、地面传输接口、无线网关、无线矿压采集节点等矿压监测仪器、井下隔爆兼本安电源及其他配套设备组成。

3 实施效果

该系统在井下综采工作面试验后结果如下。

3.1 实时显示功能

实验期间，无线压力分站的液晶显示屏上能够实时显示支架左、右立柱的实时压力，未出现故障现象。

3.2 数据采集方式

无线压力分站采用定压采样模式，即无线压力分站内部单片机每隔2 s 巡检一次压力数据，当支架压力变化超过1 MPa（可调）时，记录一次数据。经对实测数据的检验，定压采样模式工作正常，实测数据最短时间间隔为2 s。

3.3 无线传输距离

通过调换工作面测点位置，以检测无线压力分站及矿用本安型监测基站的传输距离。测试结果表明，无线压力分站间无线传输距离最大可达40 m，无线压力分站与监测基站间的最大传输距离可达100 m。

3.4 自组织网络功能

在系统正常工作状态下，通过断开1 台无线压力分站，以检测系统其余所有无线压力分站是否能够正常工作。共试验3 次，系统均能正常工作。

3.5 初撑力及末阻力分析功能

以44 号液压支架后柱实测数据为例，采用KJ21矿压监测系统软件分析支架的初撑力及末阻力，以检测支架初撑力的合格情况，分析结果见图3。

通过地面软件能够分析支架初撑力、末阻力、顶板来压情况及支架与地质条件的适应性，根据总结得到的矿压规律能够预测、预报顶板来压，便于提前采取措施，保障工作面顶板安全。

本系统所采用的无线传输技术可扩展至对煤矿井下瓦斯、一氧化碳、温度、风速、风量等环境参数的实时监测。成功研制的无线矿压监测系统功耗低、性能可靠、数据处理效率高，安装、使用方便，能够满足井下支架压力实时监测的需要，也是实施矿井安全监测监控的一种新兴技术途径。