朱書梅 薄一龍

1 技術(shù)方案

1.1 無線礦壓監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

對傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無線通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計出通用的軟硬件體系模型（見圖1）。

圖1 礦用無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1 表示的礦用無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，依照GB 3836-2006《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》，結(jié)合礦井支架的具體要求，設(shè)計了無線礦壓監(jiān)測系統(tǒng)（見圖2）。

圖2 無線礦壓監(jiān)測系統(tǒng)

如圖2 所示，各個無線礦壓采集節(jié)點和無線網(wǎng)關(guān)之間形成一個自組織的網(wǎng)絡(luò)，無線礦壓采集節(jié)點采用電池供電，無線網(wǎng)關(guān)采用穩(wěn)壓12 V 電源供電，通過CAN 總線實現(xiàn)地面數(shù)據(jù)監(jiān)視和處理部分與井下設(shè)備通信。

1.2 無線礦壓采集節(jié)點的設(shè)計

無線傳感器節(jié)點是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組成單元，可以看作是一種非常小型的計算機，一般由4 個部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在任何時刻、任何地點，不需要任何現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，包括有線和無線設(shè)施支持的條件下，快速構(gòu)建起一個移動通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的運行維護(hù)管理等完全在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)還需要一些基站來建立傳感器網(wǎng)絡(luò)與外界的聯(lián)系，但各傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)依然是一個自組織的無中心的無線網(wǎng)絡(luò)。

1.3 無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)的功能是建立和各采集節(jié)點的通信路由并保持通信，與上位機通信將各節(jié)點采集數(shù)據(jù)上傳，同時上位機可以通過網(wǎng)關(guān)向各個采集節(jié)點發(fā)送命令。其硬件部分和節(jié)點設(shè)計基本相同。

1.4 上位機通信與數(shù)據(jù)分析處理軟件

整個上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲3 大部分組成。數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)各個模塊與數(shù)據(jù)庫之間的交互，使數(shù)據(jù)庫對其他模塊透明。數(shù)據(jù)庫用來存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器負(fù)責(zé)將接收上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后將其送往系統(tǒng)管理服務(wù)器。系統(tǒng)管理服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與用戶交互，使用戶能根據(jù)需要配置整個系統(tǒng)，按需求顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)等。

2 創(chuàng)新成果

2.1 無線礦壓采集節(jié)點的研制

成功研制了基于ZigBee 技術(shù)和低功耗技術(shù)的無線礦壓采集節(jié)點。該節(jié)點安裝在液壓支架上，通過液壓油管與液壓支架前后柱連接，自主不間斷采集液壓支架壓力數(shù)據(jù)，通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼無線網(wǎng)關(guān)。該無線礦壓采集節(jié)點最大功耗僅為132 mW，無線橋接距離可達(dá)80 m～100 m。無線礦壓采集節(jié)點具備自組網(wǎng)功能，可自動規(guī)避故障、阻塞和自適應(yīng)路由，優(yōu)化帶寬。無線礦壓采集節(jié)點具備數(shù)據(jù)存儲功能，當(dāng)總線故障時，無線礦壓采集節(jié)點可以繼續(xù)監(jiān)測礦壓數(shù)據(jù)并存儲，當(dāng)總線恢復(fù)時，數(shù)據(jù)可以補充上傳。

2.2 節(jié)點間的路由協(xié)議的研究

針對煤礦無線通信環(huán)境，開發(fā)了獨特的基于最小跳數(shù)的能量自適應(yīng)路由算法。該路由算法的關(guān)鍵思想是利用到sink 節(jié)點的最小跳數(shù)和路徑節(jié)點最小剩余能量作為路由選擇度量來完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)。

多數(shù)Android惡意應(yīng)用通過聯(lián)網(wǎng)下載APP、展示廣告等方式盈利，這不僅導(dǎo)致用戶消耗大量流量，還可能威脅到用戶隱私和Android系統(tǒng)安全。基于惡意應(yīng)用依賴互聯(lián)網(wǎng)盈利這個特點，本文在Android設(shè)備上搭建一個流量監(jiān)控、分析、攔截平臺，建立惡意流量規(guī)則庫，對惡意應(yīng)用的請求報文進(jìn)行攔截，從而阻止惡意應(yīng)用的惡意行為，保護(hù)用戶的流量和隱私。

傳感節(jié)點發(fā)送信息時，首先搜索本節(jié)點的下一跳可用節(jié)點集，從中選擇路徑節(jié)點最小剩余能量最大的節(jié)點進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，下跳節(jié)點接收到該信息后作同樣的處理，直至發(fā)送到目的節(jié)點為止。

通過綜合監(jiān)測分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)、帶寬+時延、信號強度、鏈路質(zhì)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由路徑的自動優(yōu)化、點到點、點到網(wǎng)關(guān)最佳路徑自動選擇，自動規(guī)避阻塞和故障。

2.3 無線網(wǎng)關(guān)的研制

成功研制了基于ZigBee 技術(shù)和CAN2.0 協(xié)議的無線中繼網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)的功能是建立和各采集節(jié)點的通信路由并保持通信，與上位機通信將各節(jié)點采集數(shù)據(jù)上傳，同時上位機可以通過網(wǎng)關(guān)向各個采集節(jié)點發(fā)送命令。

2.4 上位機軟件的開發(fā)設(shè)計

成功研制了基于ZigBee 技術(shù)和CAN2.0 協(xié)議無線通信上位機數(shù)據(jù)分析與處理軟件。軟件通過采集從數(shù)據(jù)基站上傳的原始數(shù)據(jù)，解析成應(yīng)用數(shù)據(jù)后存入數(shù)據(jù)庫中，同時可以實時監(jiān)控各節(jié)點及基站的通信、路由、數(shù)據(jù)等狀態(tài)。

通過以上設(shè)備及軟件的研制和開發(fā)，建立了一套基于ZigBee 技術(shù)和CAN2.0 協(xié)議的礦井無線壓力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由上位機數(shù)據(jù)分析與處理軟件、地面監(jiān)控主機、地面?zhèn)鬏斀涌凇o線網(wǎng)關(guān)、無線礦壓采集節(jié)點等礦壓監(jiān)測儀器、井下隔爆兼本安電源及其他配套設(shè)備組成。

3 實施效果

該系統(tǒng)在井下綜采工作面試驗后結(jié)果如下。

3.1 實時顯示功能

實驗期間，無線壓力分站的液晶顯示屏上能夠?qū)崟r顯示支架左、右立柱的實時壓力，未出現(xiàn)故障現(xiàn)象。

3.2 數(shù)據(jù)采集方式

無線壓力分站采用定壓采樣模式，即無線壓力分站內(nèi)部單片機每隔2 s 巡檢一次壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)支架壓力變化超過1 MPa（可調(diào)）時，記錄一次數(shù)據(jù)。經(jīng)對實測數(shù)據(jù)的檢驗，定壓采樣模式工作正常，實測數(shù)據(jù)最短時間間隔為2 s。

3.3 無線傳輸距離

通過調(diào)換工作面測點位置，以檢測無線壓力分站及礦用本安型監(jiān)測基站的傳輸距離。測試結(jié)果表明，無線壓力分站間無線傳輸距離最大可達(dá)40 m，無線壓力分站與監(jiān)測基站間的最大傳輸距離可達(dá)100 m。

3.4 自組織網(wǎng)絡(luò)功能

在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，通過斷開1 臺無線壓力分站，以檢測系統(tǒng)其余所有無線壓力分站是否能夠正常工作。共試驗3 次，系統(tǒng)均能正常工作。

3.5 初撐力及末阻力分析功能

以44 號液壓支架后柱實測數(shù)據(jù)為例，采用KJ21礦壓監(jiān)測系統(tǒng)軟件分析支架的初撐力及末阻力，以檢測支架初撐力的合格情況，分析結(jié)果見圖3。

通過地面軟件能夠分析支架初撐力、末阻力、頂板來壓情況及支架與地質(zhì)條件的適應(yīng)性，根據(jù)總結(jié)得到的礦壓規(guī)律能夠預(yù)測、預(yù)報頂板來壓，便于提前采取措施，保障工作面頂板安全。

本系統(tǒng)所采用的無線傳輸技術(shù)可擴展至對煤礦井下瓦斯、一氧化碳、溫度、風(fēng)速、風(fēng)量等環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測。成功研制的無線礦壓監(jiān)測系統(tǒng)功耗低、性能可靠、數(shù)據(jù)處理效率高，安裝、使用方便，能夠滿足井下支架壓力實時監(jiān)測的需要，也是實施礦井安全監(jiān)測監(jiān)控的一種新興技術(shù)途徑。