朱 凱，張艷東

（濟寧礦業(yè)集團有限公司安居煤礦，山東 濟寧 272100）

0 引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓已經(jīng)成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。應(yīng)力在線監(jiān)測是煤礦沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)的一個主體部分，通過實時在線監(jiān)測采煤工作面的應(yīng)力變化實現(xiàn)沖擊地壓危險區(qū)和危險程序的預(yù)警［1－6］。目前，市面上較先進的應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線傳輸、無線點對點傳輸、ZigBee自組網(wǎng)傳輸［7－10］。有線傳輸準(zhǔn)確、可靠，但安裝布線麻煩，增加工人的勞動強度。無線點對點傳輸不能組網(wǎng)，不適于大容量布置測點，且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差。ZigBee自組網(wǎng)傳輸安裝方便［11］，但不支持移動自組網(wǎng)［12］，網(wǎng)絡(luò)級跳受限，不適于長距離遠傳，且功耗較高，需經(jīng)常更換電池。由于煤礦井下經(jīng)常停電檢修會造成數(shù)據(jù)傳輸中斷，數(shù)據(jù)會存在丟失現(xiàn)象，影響了監(jiān)測的連續(xù)性，不利于分析工作面應(yīng)力變化趨勢。傳統(tǒng)的應(yīng)力在線監(jiān)測還存在著監(jiān)測精度低、受安裝精度影響較大的缺點。

本文將從降低鉆孔應(yīng)力傳感器的功耗、提高測量精度、保證監(jiān)測的連續(xù)性方面出發(fā)，進行應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。主要給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及各組成部分的硬件設(shè)計及軟件設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由無線鉆孔應(yīng)力傳感器、紅外遙控發(fā)送器、數(shù)據(jù)傳輸分站、數(shù)據(jù)傳輸接口、監(jiān)控主機組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

為方便工人維護，無線鉆孔應(yīng)力傳感器通過紅外遙控發(fā)送器可現(xiàn)場修改編號。無線鉆孔應(yīng)力傳感器通過無線、自組網(wǎng)的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸分站，數(shù)據(jù)傳輸分站將接收到的數(shù)據(jù)處理、顯示、報警，并通過RS485通信發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸接口，數(shù)據(jù)傳輸接口將數(shù)據(jù)打包通過環(huán)網(wǎng)交換機上傳到地面監(jiān)控主機。地面監(jiān)控主機可實時監(jiān)測應(yīng)力數(shù)據(jù)變化，并通過應(yīng)力云圖直觀展示和預(yù)警。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 鉆孔應(yīng)力傳感器

鉆孔應(yīng)力傳感器用于實時監(jiān)測回采工作面前方煤巖體相對應(yīng)力場的變化規(guī)律和掘進迎頭后方煤層塑化規(guī)律，揭示巖層運動與支承壓力、鉆屑量與鉆孔應(yīng)力之間的關(guān)系。鉆孔應(yīng)力傳感器主要由鉆孔應(yīng)力表、應(yīng)力計、壓力轉(zhuǎn)換件組成。

傳統(tǒng)油枕式應(yīng)力計的測量精度受安裝角度影響較大，必須保證應(yīng)力計水平放置，才能達到最佳的監(jiān)測效果。為解決該問題，本文對鉆孔應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)進行了改進，在原有2片應(yīng)變片的基礎(chǔ)上，再增加2片應(yīng)變片，垂直焊接，采用十字交叉式的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力計由2個受力方向增加到4個受力方向，可以有效地解決安裝角度對測量精度的影響。十字交叉式應(yīng)力傳感器選取特殊金屬材質(zhì)及自動激光焊接工藝加工而成，壓力轉(zhuǎn)換件及應(yīng)力計各連接點采用全自動焊接技術(shù)，有效地杜絕應(yīng)力計漏油現(xiàn)象，具有靈敏度高、測量精度高、壓力保持好、承壓能力強、質(zhì)量可靠的優(yōu)點。

鉆孔應(yīng)力表硬件組成如圖2所示。鉆孔應(yīng)力表由光控電路、信號放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路、無線通信電路、主控器、可控電源電路組成。鉆孔應(yīng)力表采用低功耗模塊化設(shè)計，電源管理分主控器選擇STC的STC8A4K60S2A12芯片，該芯片具有省電模式，功耗低至5μA。無線通信模塊采用休眠模式，休眠時功耗僅為0.5μA。主控器在不工作時自動進入省電模式，由外部中斷或者無線模塊的引腳上升沿喚醒后進入工作模式，可以最大程度節(jié)約功耗。

圖2 鉆孔應(yīng)力表硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of borehole stress meter

鉆孔應(yīng)力表由3節(jié)LR20南孚電池串聯(lián)供電，額定電壓4.5 V，為保證電池供電時間，電源芯片選擇低壓差穩(wěn)壓芯片RT9193－3.3 V，僅需0.1 V壓差即可正常工作，最大輸出電流100 mA，具有控制引腳，可以由主控器控制開通和關(guān)斷。采用4路可控電源電路設(shè)計主要是為了實現(xiàn)低功耗，對不同電路供電分開控制，電源1為主控器、光控電路供電，電源2為無線通信電路供電，電源3為數(shù)碼管顯示電路供電，電源4為壓力傳感器、信號放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路供電。壓力傳感器選擇BY－1－KJ型，量程0～60 MPa，靈敏度1.5 mV，供電電壓為3.3 V。壓力傳感器輸出差分電壓信號范圍為0～4.95 mV，運算放大器選擇單電源供電的OP07，運算放大器選擇放大倍數(shù)為500倍。經(jīng)放大后的信號電壓范圍為0～2.475 V，送入12位AD轉(zhuǎn)換電路，由AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號送入主控器，實現(xiàn)對鉆孔應(yīng)力的采集，量程為0～60 MPa，測量精度為0.1 MPa。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸分站

數(shù)據(jù)傳輸分站主要由主控器、2.8 in液晶顯示屏、RS485通信電路、無線通信電路、掉電存儲電路、時鐘電路、聲光報警電路組成。主控器選擇IAP15W4K58S4，具有4路串口，可滿足通信要求。RS485通信電路選擇立功科技的RSM3485PHT模塊，可以將TTL信號轉(zhuǎn)換為RS485信號，可實現(xiàn)自動流控，無需單獨控制485的傳輸方向，具有通信穩(wěn)定、傳輸距離遠、無線通信電路采用WaveMesh自組網(wǎng)的管理模塊，供電電壓為3.3 V，通過串口與主控器之間進行數(shù)據(jù)傳輸。掉電存儲電路采用W25QF128存儲器件，存儲空間為16 MByte，可以滿足數(shù)據(jù)存儲要求。為保證上傳數(shù)據(jù)的時標(biāo)，設(shè)計了時鐘電路，選用DS1302芯片。

數(shù)據(jù)傳輸分站具有無線數(shù)據(jù)采集功能，最大可采集128臺鉆孔應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)，可實時顯示在線的應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)力數(shù)據(jù)達到預(yù)警時，現(xiàn)場可發(fā)出聲光預(yù)警信號。分站液晶屏可以顯示與數(shù)據(jù)傳輸接口的通信狀態(tài)，當(dāng)前分站號，以及應(yīng)力傳感器的狀態(tài)是否正常。分站具有RS485通信接口，將采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸接口，最遠傳輸距離為2 km。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測的連續(xù)性，分站采用18 V不間斷電源供電，分站具有數(shù)據(jù)存儲功能，當(dāng)與主站通信中斷時，分站可存儲不小于8 h的數(shù)據(jù)，當(dāng)通信恢復(fù)時自動續(xù)傳，保證了通信中斷時數(shù)據(jù)不丟失。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸接口

為將分站采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷鳈C，設(shè)計了數(shù)據(jù)傳輸接口。數(shù)據(jù)傳輸接口具有RS485接口與分站通信，將RS485信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信電信號，通過Socket連接與地面主機通信，最大通信距離為10 km。

2.4 紅外遙控發(fā)送器

紅外遙控發(fā)送器具有修改鉆孔應(yīng)力傳感器編號的功能。紅外遙控發(fā)送器由2.8 in液晶屏、3×3矩陣鍵盤、紅外發(fā)射電路組成。紅外發(fā)射電路如圖3所示，由主控器產(chǎn)生38 kHz方波驅(qū)動，主控器通過串口調(diào)制發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 紅外發(fā)射電路Fig.3 Schematic of infrared emission

3 系統(tǒng)軟件

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程Fig.4 Data acquisition flow chart

應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由分站控制，分站按1 min周期向無線管理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)集采指令，當(dāng)無線管理模塊收到集采指令后，向下廣播指令，將鉆孔應(yīng)力傳感器的無線模塊喚醒，無線模塊通過上升沿觸發(fā)主控器進入到到工作模式，主控器采集數(shù)據(jù)，進行濾波處理，并與上周期采集的數(shù)據(jù)對比，若數(shù)據(jù)有變化則發(fā)送給無線模塊，發(fā)送完成后關(guān)閉傳感器電源，進入到低功耗模式，若無變化則不發(fā)送，以降低功耗。分站接收到傳感器上送的數(shù)據(jù)后進行分析處理顯示，若超過預(yù)警閥值，則發(fā)出聲光預(yù)警信號。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

地面主機通過以太網(wǎng)采集井下鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù)，地面主機每隔1 min建立一次鏈接，主動向分站發(fā)送輪詢指令，分站接收到指令后，將實時數(shù)據(jù)打包上傳。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，分站上傳數(shù)據(jù)幀增加了CRC校驗和數(shù)據(jù)個數(shù)校驗，主機接收到數(shù)據(jù)后進行解析，若數(shù)據(jù)個數(shù)和檢驗碼均正確，存儲該幀數(shù)據(jù)，并向分站發(fā)送數(shù)據(jù)確認(rèn)幀，本次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，主機斷開鏈接。若主機接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)或校驗碼不正確，分站會繼續(xù)上傳該幀數(shù)據(jù)。

3.3 低功耗設(shè)計

由于鉆孔應(yīng)力傳感器采用電池供電，為了延長傳感器的壽命，本文采用了低功耗設(shè)計，主要從無線模塊的休眠與喚醒機制、電路板低功耗2個方面考慮。

數(shù)據(jù)傳輸分站采用無線管理模塊，其控制無線傳感器節(jié)點。為實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點的低功耗，本文采用同步休眠機制。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點同時休眠，同時喚醒，由無線管理模塊在工作時間片結(jié)束時刻向全網(wǎng)所有節(jié)點逐級廣播本次休眠的時間長度，各相鄰無線節(jié)點現(xiàn)時間片的同步。同步休眠模式下相鄰節(jié)點間的時間片的誤差低于1 ms，可以在工作時間片起始時刻立即進行數(shù)據(jù)傳輸，不需要進行無線喚醒或其它的同步操作。經(jīng)過試驗測試，在休眠模式下，無線模塊的功耗低至0.1μA。

鉆孔應(yīng)力傳感器正常時處于休眠模式，僅保留無線模塊和主控器的供電，其余電源均關(guān)閉。在數(shù)據(jù)集采、光照或者按鍵觸發(fā)時主控器進入到工作模式，待數(shù)據(jù)采集、顯示、發(fā)送完成后傳感器再次進入到休眠模式。實際測試發(fā)現(xiàn)，傳感器待機電流低于0.5 mA，工作電流低于30 mA，3節(jié)南孚LR20型號電池串聯(lián)可有效工作12個月以上，極大了延長了傳感器的使用壽命。

4 結(jié)束語

本文主要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件算法實現(xiàn)3個方面介紹了基于低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對井下應(yīng)力的在線監(jiān)測。本文改進了應(yīng)力計的結(jié)構(gòu)，提高了應(yīng)力的監(jiān)測精度，在系統(tǒng)低功耗方面給出了硬件和軟件的解決方案。該系統(tǒng)通過實際測試發(fā)現(xiàn)，具有測量精度高、功耗低、維護量小、容量大、運行穩(wěn)定的優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用價值。通過應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，可以有效地避免沖擊地壓事故的發(fā)生，當(dāng)出現(xiàn)壓力監(jiān)測異常時可及時報警，采取泄壓解危措施，保證企業(yè)安全生產(chǎn)。