基于无线传感器的液压支架监控系统设计

孙志勇

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿， 山西 兴县 033602）

引言

目前，矿井下用到的液压支架传感器都是采用有线的方式进行信号传输的，而线路太多给现场的故障维修以及生产时的人员走动带来诸多的不便。针对这种情况设计了一种基于无线传感器网络的矿井液压支架监控系统。系统中采用无线传感器进行信号采集，通过Sink进行信号的汇聚，然后通过特殊的算法实现信号的有效传输和节能。

1 液压支架监控系统的组成

对工作面液压支架监控系统的整体要求就是能够将其作业信息实时的上传到上位机，而传感器的主要工作就是对液压支架工作时的各项参数进行采集，将采集到的参数转化为控制器可以识别的电流信号或者是电压信号。而传感器节点、CAN、Sink总线以及中间的路由器节点和上层的监控用到的软件都是传感器能够实现无线传输功能所必须的[1]。传感器节点也就是我们所说的传感器，其主要功能就是采集液压支架各项工作参数。路由节点的主要功能是实现传感器节点和各种总线之间的通信，用于在两者之间传递指令或者是数据。Sink节点主要用于整个信息系统网络的搭建，起到信息汇聚的作用，同时他还可以为网络上的各个设备分配必要的网络地址。本文中的Sink模块采用STM32W108作为CPU，同时负责和CAN总线或者是射频天线的通信等。如图1所示：CAN总线采用MCP2525作为协议的控制器，而信号收发采用CTM8250芯片来实现，这是一种常用的组合搭配，能够很好的保障系统的实施稳定性。

如图2所示：液压支架搭建的无线传感器网络示意图。为了方便管理必须将传感器安装在监控的视野范围，而传感器收集到的信息是通过Sink节点来汇聚并上传给监控中心的。而监控中心的任务一方面是将数据存储，另一方面是将有用的信息上传到更高一级的网络中，以便于上级用户对井下工作面液压支架的情况进行查看。

因为煤矿井下工作环境比较复杂，通信干扰比较多，所以本设计中使用到的通信器件全部是性能比较高的。为了便捷性及电源的纯度，这里选用电池为传感器节点供电，同时为了能够长时间的稳定运行所以选择的负载芯片全部都是低功耗的。图3所示为传感器节点的结构示意图。

本系统中压力的采集采用扩散硅形式的压力传感器来进行，主要是因为该类型的传感器具有比较高的采集精度和稳定性，因为功率消耗比较低，所以在使用电池的情况下可以使用较长时间。

图3 传感器节点的结构示意图

系统的信号传输和数据处理模块采用STM32系列的低功耗芯片型号为STM32W108。该芯片在能够实现低功耗的基础上还能比较高效率的实现处理能力，并且具有优秀的远距离通信能力。同时芯片还具有CAN总线信息的收发功能。能够进行数据形式的A/D转换，转换后将实时压力值显示到人机界面上。

2 无线传感器网络的算法模型

这里选择Sink作为无线传感器网络节点的网络结构是根据现场监控系统的实际需求确定的[2]。如图2所示的无线传感器网络这里定义为G（V，E），网络中涉及到的全部节点用V表示，而网络中相邻两个设备自检的路线用E表示，可以搭建出网络模型公式：

式中：l为信息在传输过程中的长度；Ee为在信号收发过程中的能量消耗每bit的信号量；ηi、ηm为在信号接收和发送电路中消耗能量的因素；di，j为最近的两个节点之间的距离；dc为彼此临近的两个节点之间距离的最大或者是最小值。

在传感器收发信息的时候的功率消耗：

在节点处发生数据汇聚时的能量消耗：

式（6）中ED为在发生数据汇聚时单位数据所消耗的能量。

Sink为了获得底层无线传感器节点的能量，就要主动的将自己的位置信息传输给全部的传感器。然后无线传感器在获得命令后就会将自己的剩余可用的电量传输给Sink的节点，然后经过计算最后能够确定整个传感器网络的平均可用能量[3]。在能够确定具体的簇头时，系统是通过Tn这个参数来控制信息进行精确传输的，如式（7）所示：

式（7）中：r为无线系统中用到的簇头节点数占整个系统中总节点数的百分比；q为当前信息传递的轮数；G为没有成为簇头的节点集合在1/r轮循环结束之后；k为当前节点剩余的能量参数；Ei为信号传输节点在刚开始时的能量；Es为在信号传递完成后节点具有的能量；dm为传感器节点和Sink节点之间的平均距离；dn为传感器和Sink最近节点之间的距离。

式（8）所表示的为某条路径上全部节点的集合，这条路径就是簇头给Sink传输信息的节点路径。

式（9）为在这条路径上需要消耗的能量：

式（9）中提到的参数costi，j为相邻的两个节点之间收发信息的时候消耗的能量。

式（10）位每条路径在消耗能量是的评价指标：

式（10）中：Esmin为当信号传输完毕后整条线路上残存的能量最小的值；Hopn为整条信号传输路径上面传感器节点到Sink节点之间的数量；α，β，γ为参数。

式（11）是整个系统路由的选取方法：

利用式（11）的算法能够提系统选择最优的信号传输路线，同时确定各条路线的能量剩余量，这样便可以提高液压系统无线传感器网络使用的可靠性和节能性[4]。

3 液压支架监控系统的软件实现

如图4所示为液压支架的升柱软件控制流程图，通过图中我们可以看出首先是进入升柱状态，当一切顺利后就可以关闭电磁阀停止升柱，当有问题时便做出相应的操作。

图4 液压支架升柱的操作流程

下页图5所示为液压支架监控系统的结构图，从图中我们可以看出整个系统由四部分组成，分别是数据采集模块、数据处理与分析模块、参数设置模块、通讯模块。根据液压支架的实际需求来设计监控系统软件。

4 结语

通过现场运用，发现本文设计的液压支架监控系统能够稳定地检测到液压支架工作时的各项参数，并能够将其工作状态通过监控系统传输到用户层。当工作面的顶板压力超限时系统能够及时报警加泄压。这时地面控制中心便会及时做出相关的应对措施。同时由于该系统采用了无线传感器，省去了很多接线使现场工作面更加整洁，减少了事故发生的可能性，在一定程度上能够提高矿井的生产效率。

图5 监控系统的组成结构图