GUD300矿用顶板位移传感器的低功耗设计

2014-03-26程永强

实验技术与管理 2014年7期

邵祥，程永强

(太原理工大学信息工程学院，山西太原 030027)

GUD300矿用顶板位移传感器(以下简称传感器)是一款基于Zigbee网络传输的巷道顶板位移传感器，量程300 mm，使用CC2530为数字处理核心，具有两路离层采集、位移显示、位移报警、100 m Zigbee 信号覆盖等功能。该传感器使用不可充电锂电池(2.4 Ah)供电，无线传输，解决了普通矿用传感器必须引线供电、传输数据的弊端，增强了安全性，减少了安装复杂度。但是，传感器电池必须保证传感器库存3个月以上、正常工作时间不小于1 a。因此，如使用2.4 Ah锂电池供电，低功耗设计就显得尤为重要。

1 传感器实际工作需求的分析

煤矿开采前需要先在所采煤层掘进回风巷和运输巷以便回采，由于巷道破坏了岩层原有的力学平衡，会被其他岩层挤压导致顶板下沉、地板上拱、两帮收敛[1]。顶板位移传感器就是用来测量顶板下沉量的。

GUD300矿用位移传感器采用点对点接力传输的思想，在上千米长的巷道中每隔50 m安装1台传感器。到了数据上传的时刻，传感器依次把自己的离层数据传输给靠近分站方向的其他传感器，直到KJ826-F矿用本安型采集分站，由采集分站通过光纤传输给监控主机[2]。

传感器在安装完成后，需要保证能够正常工作1 a以上，传输数据最小间隔为半小时，采集数据最小间隔为2 min，可随时人工查看位移值，位移超过报警限时自动光报警[3]。

因为要显示离层位移，所以传感器需要有4位数码管以保证安装在巷道顶部人能看清楚。同时增加一个光敏二极管电路，使得矿灯照射传感器时唤醒传感器显示当前离层位移。光报警功能可以用一个红色发光二极管闪烁完成。使用2个10 kΩ精密电位器通过转换测量顶板位移值。采用CC2530+CC2591以实现100 m Zigbee信号覆盖的功能[4-5]。

按照最大工作量计算，传感器每天上传48次数据，采集数据720次(2路)，人工触发显示10次(包括无意触发)。

2 软硬件协同的低功耗设计

GUD300矿用顶板位移传感器硬件主要分为无线收发模块、电源控制模块、显示模块、AD模块、光唤醒模块、报警模块。

其中，无线收发模块包含数字处理核心CC2530和功率放大芯片CC2591。CC2530工作在Power Mode 2时，消耗电流为1 μA[6]。CC2591工作在掉电模式，消耗电流仅为100 nA[7]。光敏二极管在没有光照的条件下消耗电流几乎为零，而其他数字模块即使在不工作的条件下也有毫安级别的耗电。

为保证传感器工作正常，其显示、报警、采集、传输时必须提供足够的电能，但是这些工作不会同时进行，如果这些模块都单独控制、供电，将能大大降低传感器功耗。但是，每增加一个电源控制模块就需要多占用一个IO口、增加一片MOS管。为减少生产成本、IO口占用和布线复杂度，我们将主板上的电源分为VDD和VDDA两种。其中，VDD与电源直接连接，VDDA通过一个MOS管与VDD连接，CC2530控制MOS管的通断。如图1所示。

图1 电源控制模块

无线收发模块、光唤醒模块和光报警模块等必须要时刻供电或休眠耗电很低的模块由VDD供电，其他模块由VDDA供电，在传感器休眠时关断VDDA以杜绝无谓的能量消耗。在完成电源模块的改造后，配置CC2530为Power Mode 2、CC2591为掉电模式，MOS管关断，传感器休眠消耗电流Id=3 μA。

在传感器通信时，因为不需要显示和采集数据，所以同样配置MOS管关断，以保证只有通信模块用电。这时，通信模块发送数据消耗电流It=52 mA，而开启接收后消耗电流Ir=37 mA。

在需要采集或显示离层位移值时，需要打开MOS管同时配置CC2591为掉电模式。其中，采集时消耗电流Ic=13.6 mA，显示时消耗电流Is=40 mA[8]。

3 基于通信协议的低功耗设计

本矿用顶板位移传感器使用点对点传输方式，在巷道中每50 m安装1台传感器，位移数据接力传回采集分站。要求传感器数据能够半小时上传1次，通信协议的制定旨在用最小的功耗完成所有传感器数据的回传。因为传感器通信使用接力方式，所以传感器应该依次唤醒收发数据以达到功耗最小的目的。

图2为相邻传感器间的通信示意图，由图可以看出，传感器依次被各自的休眠定时器唤醒，采集离层数据并开启RF收，待传感器收到指令并解包下发后，传感器再次休眠不同的T_sleep时长[9]，由休眠定时器唤醒收数据包，加入自己的数据再次上传，之后休眠完成一轮的数据通信。

图2 相邻传感器间正常通信示意图

其中，第一次休眠定时器唤醒是因为到了半点通信时间，由传感器各自的RealTime决定。传感器收到指令后校准RealTime，因为各传感器收到的指令相同，而收到的时间不同，所以能够形成传感器依次唤醒而不影响通信的结果。

传感器下发指令到收到下一传感器传回的数据包的时长是不同的，越靠近分站方向的传感器所等待的时长越长。如果这段时间传感器不休眠，所造成的电能虚耗是很大的，而且这也将造成靠近分站的传感器电量先耗尽的结局。因此，在传感器下发指令后，使其休眠T_sleep时长。T_sleep由第1次通信时传感器可以学习到，并在之后的每次通信修正。如此，可使传感器使用最少的电能完成正常的数据传输。

图3为传感器全部工作流程。传感器装配完成并上电后，直接进入休眠模式并使用外部手段屏蔽中断直到传感器安装完成正常工作，中间经过不超过3个月的库存和运输状态。在传感器安装完成后，去除外部中断屏蔽，在用光照光敏二极管产生一个中断唤醒传感器并使用采集分站初始化传感器。之后传感器每半小时自动唤醒通信一次，中间可由人工光照触发中断唤醒查看传感器测量值。

图3 传感器工作流程图

传感器在网络中首次通信全程不休眠，在转入发指令之后，开启RF收并开启T1计数器直到收到返回的数据包，使用T1的值在确定T_sleep变量的初值，并在之后的每次通信中修正T_sleep，使开启RF接收的时间最小化。在使用T_sleep时减去ns的目的是使传感器提前醒来以保证工作稳定能够收到数据[10]。在传感器节点序号超过44后，由于数据的增加，数据包将分成三帧发送[11]。

在完成通信协议的软件编码工作后，可以测得传感器各个工作状态的持续时间，如表1所示。