楊艷國(guó) 王 祎 周新雨

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新，123000)

·機(jī)電與自動(dòng)化·

基于無(wú)線(xiàn)傳感器的礦井通風(fēng)測(cè)試系統(tǒng)及軟件開(kāi)發(fā)

楊艷國(guó) 王 祎 周新雨

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新，123000)

基于傳統(tǒng)通風(fēng)阻力測(cè)試方法精度低且操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出了一種以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的礦井通風(fēng)多參數(shù)無(wú)線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)。重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。硬件方面是將CC2530芯片作為控制處理器的核心，并且把51單片機(jī)與RF射頻技術(shù)融合為一體，用MAX232與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信；軟件方面是在Z_TACK通信協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，利用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)核心控制程序。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下一段巷道內(nèi)2點(diǎn)的溫、濕度和氣壓值，而且能真正實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)阻力測(cè)試的自動(dòng)化、精確化、網(wǎng)絡(luò)化。

礦井通風(fēng)阻力 無(wú)線(xiàn)傳感器 測(cè)試系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 監(jiān)測(cè) 傳輸模塊

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“新建的礦井必須要進(jìn)行一次礦井通風(fēng)阻力的測(cè)定，以后每三年最少測(cè)定一次”[1]。通常情況下，常見(jiàn)的通風(fēng)阻力測(cè)定方法主要包括壓差計(jì)法和氣壓計(jì)法。前者測(cè)定的阻力精度較高，但是操作復(fù)雜；而氣壓計(jì)的測(cè)定精度較差且受井下環(huán)境的影響較大。國(guó)外對(duì)于井下的通風(fēng)阻力測(cè)定的研究相對(duì)比較成熟，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中有計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)等[2-3]，而國(guó)內(nèi)的研究人員也提出了利用巷道的風(fēng)門(mén)等測(cè)量巷道通風(fēng)阻力的一些方法[4-7],然而對(duì)整個(gè)礦井的通風(fēng)阻力的測(cè)定工作還不夠完善，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全礦井的通風(fēng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本研究在前人對(duì)通風(fēng)阻力測(cè)定研究的基礎(chǔ)上，研究出一種新的礦井通風(fēng)阻力測(cè)試系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠根據(jù)無(wú)線(xiàn)通信的技術(shù)來(lái)測(cè)試井下的溫濕度等相關(guān)參數(shù)，且可以同步進(jìn)行計(jì)數(shù)，大大減少了傳統(tǒng)通風(fēng)阻力測(cè)定的復(fù)雜性和不確定性。

1 系統(tǒng)工作原理

氣壓計(jì)同步法即為同一型號(hào)的氣壓計(jì)放置在一段巷道的始端和末端且在同一時(shí)刻讀數(shù)。根據(jù)礦井通風(fēng)阻力測(cè)定的原理，基于氣壓計(jì)同步法[8-9]，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)礦井通風(fēng)多參數(shù)無(wú)線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，在井下巷道的始端和末端同時(shí)測(cè)量相關(guān)參數(shù)，顯示在測(cè)試裝置的LCD中，實(shí)現(xiàn)真正的同步。

基于氣壓計(jì)同步法的礦井通風(fēng)阻力公式為

(1)

式中，hrij為通風(fēng)阻力,Pa；hrij表示2測(cè)點(diǎn)間的通風(fēng)阻力，Pa；hvi、hvj分別表示測(cè)點(diǎn)i、j的動(dòng)壓值，Pa；k′、k″分別表示氣壓計(jì)Ⅰ、Ⅱ的校正系數(shù)；hi′、hj′分別為氣壓計(jì)Ⅰ在測(cè)點(diǎn)i、j的讀數(shù)，Pa；hi″、hj″表示與hi′、hj′對(duì)應(yīng)時(shí)間氣壓計(jì)Ⅱ的讀數(shù)，Pa；Zi、Zj分別表示測(cè)點(diǎn)i、j的標(biāo)高，m；ρij表示測(cè)點(diǎn)i、j間空氣密度的平均值，kg/m3。

使用該礦井通風(fēng)多參數(shù)的無(wú)線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)，可簡(jiǎn)化礦井通風(fēng)阻力的計(jì)算。公式為

(2)

該方法一方面使氣壓計(jì)同步法得到簡(jiǎn)化，另一方面在一定程度上使得測(cè)試精度提高。

該系統(tǒng)采用的是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]，如圖1所示，主要包括主、從礦井通風(fēng)無(wú)線(xiàn)測(cè)試裝置以及中繼路由節(jié)點(diǎn)，主礦井通風(fēng)參數(shù)儀在礦井內(nèi)作為一個(gè)協(xié)調(diào)器，建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行綁定，并接受從測(cè)試儀的數(shù)據(jù)，顯示與LCD上；而把從測(cè)試儀看作為傳感器節(jié)點(diǎn)，引入到以主測(cè)試儀為核心的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，把采集到的參數(shù)傳送給主測(cè)試儀；當(dāng)?shù)V井內(nèi)測(cè)試巷道增長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)而加入中繼路由節(jié)點(diǎn)，它可起到路由的效果，可以接受并轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 System network structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主、從礦井通風(fēng)多參數(shù)無(wú)線(xiàn)測(cè)試裝置

主、從礦井通風(fēng)多參數(shù)無(wú)線(xiàn)測(cè)試儀器的硬件構(gòu)成基本相同。以CC2530F256芯片為核心，把相關(guān)的儀器連接起來(lái)，主要包括串口模塊、LCD顯示模塊、溫濕度傳感器模塊、氣壓傳感器模塊、風(fēng)速傳感器模塊、帶通濾波器和天線(xiàn)等[11-12]。其中，LED可以顯示測(cè)試出的礦井通風(fēng)相關(guān)參數(shù)，CC2591能進(jìn)一步放大系統(tǒng)的輸出功率。此測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)模塊如圖2所示，硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖2 主、從無(wú)線(xiàn)測(cè)試裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊

2.2 中繼路由節(jié)點(diǎn)

中繼路由節(jié)點(diǎn)[13]可以起到路由的效果，主要是把測(cè)試裝置的相關(guān)參數(shù)發(fā)送到主測(cè)試裝置內(nèi)。功能結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的處理。選用CC2530F64芯片，外接 CC2591功放模塊、電源模塊、LCD顯示模塊等。

圖3 主、從無(wú)線(xiàn)測(cè)試裝置硬件連接

2.3 傳感器模塊

本系統(tǒng)采用型號(hào)為SHT10數(shù)字式的溫濕度傳感器來(lái)采集礦井巷道內(nèi)的溫濕度；而井下巷道內(nèi)的靜壓是用型號(hào)為BMP085-MK的氣壓傳感器來(lái)測(cè)試的，它通過(guò)IIC總線(xiàn)與各個(gè)微處理器進(jìn)行連接。其分辨率到達(dá)5 Pa(0.05 mbar)，可以測(cè)量1 000～110 000 Pa(10～1 100 mbar)的壓力；采用型號(hào)為GFY15的風(fēng)速傳感器來(lái)測(cè)試巷道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)量等參數(shù)，通過(guò)微壓差的變化原理測(cè)量風(fēng)速，可以解決氣流紊流的問(wèn)題，提高了測(cè)試精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主測(cè)試裝置組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)

通風(fēng)多參數(shù)無(wú)線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的組網(wǎng)是通過(guò)ZStack2006協(xié)議ugun軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此協(xié)議棧可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈合[14]?；贑 語(yǔ)言在ZStack模板上建立需要的相關(guān)項(xiàng)目。第一步先將礦井通風(fēng)裝置進(jìn)行IEEE802.15.4協(xié)議棧的初始化[15]；進(jìn)而設(shè)置網(wǎng)絡(luò)號(hào)PAN ID、16位短地址，最后通過(guò)掃描檢測(cè)尋找空閑通道并綁定，這時(shí)就已創(chuàng)建好ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)在LCD中顯示出來(lái)。第二步在主測(cè)試儀設(shè)置的基礎(chǔ)上，將其他的相關(guān)設(shè)備引入網(wǎng)絡(luò)；而從測(cè)試儀和中繼節(jié)點(diǎn)在初始化的基礎(chǔ)上掃描檢測(cè)尋找主測(cè)試裝置，并請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。主測(cè)試裝置接受到相關(guān)的請(qǐng)求信息后，作出響應(yīng)表明是否允許該設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。主測(cè)試裝置組網(wǎng)的流程詳見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)流程

3.2 從測(cè)試裝置發(fā)送數(shù)參數(shù)序設(shè)計(jì)

礦井通風(fēng)從測(cè)試儀在初始化的基礎(chǔ)上，通風(fēng)信道能量掃描檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)并發(fā)送接入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，當(dāng)收到主測(cè)試裝置的響應(yīng)后，進(jìn)一步發(fā)送綁定請(qǐng)求，完成綁定，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)從測(cè)試裝置綁定成功后，將通過(guò)按鍵觸發(fā)式自動(dòng)的將監(jiān)測(cè)到的溫濕度、靜壓、風(fēng)速和風(fēng)量等相關(guān)參數(shù)信息發(fā)送給主測(cè)試裝置。其軟件流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在無(wú)障礙條件下進(jìn)行測(cè)試，主、從測(cè)試裝置相距400 m，在中間200 m處增加中繼路由節(jié)點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中主、從測(cè)試裝置不斷采集數(shù)據(jù)，同時(shí)主測(cè)試儀與PC進(jìn)行連接，且通過(guò)Packet Sniffer檢測(cè)數(shù)據(jù)接收的情況，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 無(wú)障礙環(huán)境系統(tǒng)不同條件測(cè)試結(jié)果

由以上測(cè)試結(jié)果可知：

(1)測(cè)試系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊CC2530連接CC2591功放模塊之后，系統(tǒng)傳輸性能得到了明顯提升，系統(tǒng)最大穩(wěn)定傳輸距離由原來(lái)的220 m提高到了現(xiàn)在的350 m。

(2)通過(guò)在主、從測(cè)試裝置中間加入路由器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)不采集參數(shù)信息，只負(fù)責(zé)信息的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。事實(shí)上在系統(tǒng)中路由節(jié)點(diǎn)起到了中繼接力的作用。增加該節(jié)點(diǎn)后，系統(tǒng)最大傳輸距離由原來(lái)的220 m增加到現(xiàn)在560 m。

5 結(jié) 論

(1)在對(duì)現(xiàn)有礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合同步法礦井通風(fēng)阻力測(cè)試原理，設(shè)計(jì)了一種礦井通風(fēng)參數(shù)的無(wú)線(xiàn)測(cè)試方法，實(shí)驗(yàn)證明該無(wú)線(xiàn)測(cè)試方法從真正意義上實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)參數(shù)的同步測(cè)試，簡(jiǎn)化了礦井通風(fēng)阻力測(cè)定方法。

(2)利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出礦井通風(fēng)參數(shù)無(wú)線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)。

(3)通過(guò)增加中繼節(jié)點(diǎn)(路由器節(jié)點(diǎn))、在無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊中增加CC2591功放芯片兩項(xiàng)措施，提高系統(tǒng)發(fā)射功率和測(cè)試范圍，從而使測(cè)試系統(tǒng)在井下受限環(huán)境中更好地應(yīng)用。

(4)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明該系統(tǒng)在連續(xù)工作情況下，具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Testing System and Software Development of Mine Ventilation Based on Wireless Sensor

Yang Yanguo Wang Yi Zhou Xinyu

(MiningCollege,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

The traditional ventilation resistance test method has feature of low precision and complex operation,a multi-parameter wireless test mine ventilation system based on wireless sensor network technology is proposed.Designing of system hardware and software is focused on,where CC2530 chip is considered as the control core processor of hardware.Both 51 single chips and the RF technology are integrated as a whole to realize data communication with the MAX232 and PC.Meanwhile,on the basis of Z_TACK communication protocol stack,C language is adopted to write the key control program in software.The system can achieve real-time monitoring of temperature,humidity and barometric pressure at two points within the underground roadway,and truly realize automation,high precision and network of mine ventilation resistance testing.

Mine ventilation resistance,Wireless sensor network,Testing system,Hardware design,Software design,Monitor,Transmission module

2015-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51174106)。

楊艷國(guó)(1971—),男,副教授。

TD727

A

1001-1250(2015)-05-149-04