基于WSN的支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王青青　孫玉龍

摘要： 針對當(dāng)前煤礦中普遍使用的液壓支架工作阻力的情況和優(yōu)缺點，在安全生產(chǎn)運行、數(shù)據(jù)可靠性、經(jīng)濟(jì)效益、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、采集節(jié)點的能耗等多方面進(jìn)行了綜合考慮?；赪SN設(shè)計了一種對煤礦井下綜采工作面液壓支架工作阻力進(jìn)行實時監(jiān)測的創(chuàng)新型系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有成本低、功耗低、安全性高、數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)和實時性高等特點。

關(guān)鍵詞：WSN；支架工作阻力；監(jiān)測

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）33-0250-02

Abstract： According to the widely used of working resistance of hydraulic support in the current coal mine situation， the advantages and disadvantages， safety， reliability， data communication， data transmission， real-time acquisition node energy consumption. The innovative design of a WSN system for fully mechanized mining face underground coal mine hydraulic support working resistance Based on the real-time monitoring， this system compared with traditional hydraulic support has lower cost， lower power consumption， higher security， data reliability and more advance in the high real-time performance etc.

Key words： WSN； Hydraulic Support Working Resistance； Monitor

我國是能源生產(chǎn)和消費大國，在近幾年我國的能源生產(chǎn)、消費中煤炭消耗總量迅速增加。在未來的能源消費中，雖然煤炭在能源消費中的比例會逐年下降，但是煤炭依然是中國最安全穩(wěn)定可靠的能源，相對于發(fā)國家，我國煤炭工業(yè)的整體技術(shù)水平落后，這是我們不能逃避一個事實，因此要逐步降低煤炭消費比例，大力發(fā)展煤炭開采科技工作不容忽視[1]。煤礦長期開采工作的主要設(shè)備是液壓支架，它主要用來控制采煤工作面礦山壓力的結(jié)構(gòu)物，是煤礦綜采中不可缺少的配備設(shè)備，從而保證采煤工作的安全進(jìn)行。通過查閱國內(nèi)外液壓支架工作阻力監(jiān)測技術(shù)狀況和它們的優(yōu)缺點[2]，根據(jù)多方面的綜合考慮，本文設(shè)計了一種基于WSN的支架工作阻力監(jiān)測的創(chuàng)新型系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由井上和井下這兩個部分組成。井上部分由地面工控機(jī)、交換機(jī)、服務(wù)器、備用服務(wù)器、CAN總線組成；井下部分由壓力傳感器、路由節(jié)點、匯聚（Sink）節(jié)點、有線本安電源、中繼器、CAN總線組成[3]，如圖1所示。

支架工作阻力數(shù)據(jù)的采集節(jié)點，采用電池供電，利用中間節(jié)點，以多跳的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，向其他節(jié)點發(fā)送信息。其中液壓支架數(shù)據(jù)采集節(jié)點每3分鐘就會采集一次液壓支架的受力情況。當(dāng)液壓支架上的壓力值超過預(yù)先設(shè)定的報警臨界值時，就會進(jìn)行報警提示。從而降低采集節(jié)點的功耗，實時的發(fā)送最新的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實時性。通過路由節(jié)點將采集節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點。同時每個采集節(jié)點將采集到的實時數(shù)據(jù)顯示在自身攜帶的液晶屏顯示模塊上，方便井下工作人員實時查看各個液壓支點的受力情況。為防止井下突發(fā)斷電的緊急情況，路由節(jié)點采用本安電源供電，為每一個路由節(jié)點配帶備用電池，預(yù)防工作系統(tǒng)不能正常運作的情況，保證井下采礦工作安全有效進(jìn)行。匯聚節(jié)點將每個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，保證地面上使用者進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的分析。Sink節(jié)點采用本安電源供電，并且每個節(jié)點都會配帶備用電池，防止井下突發(fā)斷電的情況。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

井下支架工作阻力數(shù)據(jù)的采集是整個液壓支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的核心部分，支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)主要由壓力數(shù)據(jù)采集節(jié)點、路由節(jié)點、Sink節(jié)點組成。雖然這三個節(jié)點的硬件整體設(shè)計不同，但是這三種節(jié)點均采用CC2430作為MCU模塊。該系統(tǒng)在硬件設(shè)計上，將壓力傳感器安裝在液壓工作支架前柱和后柱上，進(jìn)行液壓工作支架多點測量。壓力傳感器上的金屬收到外力作用時，其長度和橫截面積都會發(fā)生一定的變化，電阻值就會改變，通過測量兩端電阻電壓進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換壓力值。利用路由節(jié)點以多跳的方式向其他節(jié)點發(fā)送心信息。將液壓支架數(shù)據(jù)節(jié)點采集的受力情況傳到Sink節(jié)點，同時將信息顯示在的液晶屏顯示模塊上。當(dāng)采壓力值大于報警臨界值，報警模塊就會向井下工作人員發(fā)出報警信息。

Sink節(jié)點是指無線傳感網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，主要負(fù)責(zé)傳感網(wǎng)與外網(wǎng)的連接。有著非常廣泛的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的通信能力，這些節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，各個節(jié)點沿著其他節(jié)點進(jìn)行相互通信，通過管理節(jié)點進(jìn)行發(fā)布監(jiān)控數(shù)據(jù)。Sink節(jié)點適合在各種苛刻的環(huán)境下，節(jié)點甚至可以在露天環(huán)境下工作，不容易易損壞。Sink節(jié)點具有較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，它能實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線CAN總線兩種通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時它還能對節(jié)點的通信任務(wù)進(jìn)行管理、對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)等功能。路由節(jié)點負(fù)責(zé)將簇內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集節(jié)點所監(jiān)測的各個工作阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，通過數(shù)據(jù)融合以及多跳傳至Sink節(jié)點，同時路由節(jié)點通過找尋、建立和修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報文的路由信息可以有效地延長網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

在硬件電路設(shè)計上，Sink節(jié)點與路由節(jié)點有很多相同點，只需要在路由節(jié)點模塊硬件設(shè)計上把液晶顯示模塊改成CAN總線收發(fā)模塊。

當(dāng)支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)超過報警臨界值時，主要進(jìn)行三種報警模式：1）發(fā)送報警信息給井下數(shù)據(jù)傳輸模塊并將報警信息實時顯示在液晶顯示屏，可以顯示每一個工作阻力支架上面的具體的壓力數(shù)據(jù)；2）啟用井下的報警燈，并進(jìn)行閃爍提示；3）進(jìn)行語音報警提示，更好的提示井下的工作人員檢測。

井下支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

2.2 支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

通過軟件的支持完成整個支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)各種功能。井下支架工作阻力數(shù)據(jù)采集的軟件主要采用C語言編寫，井上支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)的軟件開發(fā)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，軟件工程等采用C/S的客戶機(jī)/服務(wù)器模式，以Microsoft Visual Studio 2010為集成開發(fā)環(huán)境，利用C#和SQL語言實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、索引等功能。

軟件系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下功能：

1） 實時采集各個液壓支架的受力情況，將采集到的數(shù)據(jù)實時的存入數(shù)據(jù)庫，方便用戶的數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)處理。

2） 工作人員根據(jù)不同的權(quán)限查詢各個支架的壓力數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過web的方式和井上站點進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3） 顯示功能：地面主機(jī)和井下主機(jī)可以以圖文，表格，曲線等多種形式分別顯示井下各個節(jié)點的壓力數(shù)據(jù)。

4） 報警功能：可在地面站點和井下站點進(jìn)行實時的超限報警，液壓支架所承受的壓力超過報警的臨界值時，就會進(jìn)行報警。

5） 打印功能：地面主機(jī)可以打印各個液壓支架壓力以及歷史數(shù)據(jù)等信息。根據(jù)實時情況進(jìn)行定時打印。工作人員只需要調(diào)出相應(yīng)的打印數(shù)據(jù)，就可以實時打印。操作更加簡單方便。

6） 當(dāng)液壓支架所承受的壓力超過報警的臨界值時，就會進(jìn)行報警信息的實時打印，供工作人員查看。

2.3 支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)的顯示功能設(shè)計

本系統(tǒng)用戶界面的設(shè)計更好的增加用戶的體驗，更加直觀簡潔。為井下的管理人員提供了井下工作面的實時數(shù)據(jù)，便于全面、及時、準(zhǔn)確指揮生產(chǎn)和科研，要求系統(tǒng)能實時獲取井下監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果，并在地面利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、圖形動畫顯示和報表打印輸出等處理[4]。因此，上位機(jī)界面的設(shè)計簡單大方，功能區(qū)之間劃分清晰、簡單易懂，能夠更加直觀地顯示數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)、并且操作方便，利于工作人員的使用。本文所設(shè)計的液壓工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)軟件可實時查看壓力信息、曲線顯示壓力數(shù)據(jù)、最初支撐力、最新的周期壓力值、以及歷史查詢等功能，如圖3所示。

在液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)的界面為用戶提供了多種選項，主要分為兩個菜單：“菜單1”和“菜單2”。用戶可以查詢“初始支撐力值”、“最新周期來壓值”、“歷史數(shù)據(jù)”、“歷史報警”等多個選項，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時查詢管理。還可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，主要包括對“服務(wù)器號”、“IP地址”和“報警臨界值的設(shè)定”等內(nèi)容。在界面中可以看到各個節(jié)點“前柱”和“后柱”上面壓力的實時數(shù)據(jù)采集。另外，在界面的壓力顯示“狀態(tài)列”會實時顯示液壓支架的工作狀態(tài)，當(dāng)液壓支架所承受的壓力未超過“報警的臨界值”時，顯示“工作正?！?；相反，當(dāng)液壓支架所承受的壓力超過“報警的臨界值”時，則會顯示“報警”。

3 結(jié)束語

本文針對當(dāng)前煤礦中普遍使用的液壓支架工作阻力狀況和優(yōu)缺點，基于WSN設(shè)計了一種對煤礦井下綜采工作面液壓支架工作阻力進(jìn)行實時監(jiān)測的系統(tǒng)，文章首先設(shè)計了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后從系統(tǒng)硬件和軟件兩個方面分別進(jìn)行設(shè)計，并通過人性化的監(jiān)控界面對監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行顯示，本系統(tǒng)具有成本低、功耗低、安全性高、數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)和實時性高等特點。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 尹希文. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J]. 煤炭工程， 2012（12）.

[4] 張嘉怡， 劉建文， 伍川輝. ZigBee技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 中國測試技， 2008（4）.