学兔兔 2012年第12期 煤 炭 工 程 基于无线传感器网络的矿山压力 监测系统设计及应用 李潞斌 (潞安集团潞宁煤业公司，山西忻州 0367~) 摘 要：文章针对有线矿压监测系统断线频繁、可靠性低的问题，研制了应用无线传感网络 技术的无线矿压监测系统，实现了煤矿井下采煤工作面支架工作阻力的实时监测，并在同煤晋华 宫矿进行了工业性试验，根据结果得出：无线矿压监测系统具有功耗低、性能可靠、数据处理效率高 等优势，能够很好的满足井下支架压力实时监测的需要。 关键词：矿压监测；无线传感器网络；ZigBee；顶板来压 中图分类号：TD326；TP311 文献标识码：B 文章编号：1671—0959(2012)12~127-()3 目前我国普遍采用的矿山压力监测系统都是以工业 传感器模块 处理器模块 无线通信模块 CAN总线为基础，井下监测系统与地面信息中心通过电缆 或光纤连接，构成有线信息传输网络。由于矿山井下工作 面和巷道是一种 “受限、异质、非均匀、时变”的通信空 匮圈 囫} 器 一 间，导致矿山监测系统的有线传输存在如下问题…：有线 木 木 十 I I l 通讯方式布线复杂，劳动强度大，且通信线路容易被破坏， l 能量供应模块 破坏后恢复周期较长，维护成本高；网络结构不灵活，不 图1 无线传感节点结构 适合工作面推进的动态变化要求、扩展性差；监测点相对 节点处理器主要由微处理器、CAN通信控制器、RTC 固定，有可能会出现监测盲区；监测参数相对固定，不能随时 实时时钟电路、多个方面数据显示、数据存储、油压采集以及射频 加入新的监测对象，间接增加系统的成本投入。 通信模块组成。 论文结合传感器技术、信息处理技术、无线通讯技术、 网络安全技术等先进的技术，以井下工作面支架压力数据采 节点的油压采集模块采用离子束溅射薄膜压力传感器， 该传感器压力敏感元件采用溅射工艺，在压力介质直接作 集为研究对象，设计了无线矿压监测系统，有效解决了煤 矿井下有线矿压监测线路故障频繁、维护难度大的问题。 用的17—4PH不锈钢膜片上，以分子键合的方式制作出微 米级的电阻膜。再经过微电子工艺制作出惠斯登电桥，组 1 无线矿压监测系统结构设计 成全金属敏感元件，无任何粘贴剂和活动件，无需密封腔 基于无线传感器网络的矿山压力监测系统主要由采集 和充油腔，适合在煤矿井下等恶劣环境下使用。 节点、无线网关、地面传输接口及上位机数据处理软件等 无线传感器网络节点之间的信息传输采用自组织路由， 组成。系统采集节点采用溅射薄膜式压力传感器，该传感 实现多跳路由机制，与其他的单跳路由相比较，多跳策略 器把支架压力信号转换为对应的电压信号，通过ZigBee无 更能确保网络的可靠性和稳定能力，降低节点功耗；一旦 线发射模块发送至无线网关，再通过CAN总线上传至上位 某个节点发生故障，其它节点能够智能检测路由，重新建 机，同时无线网关也可将接收到的上位机命令通过ZigBee 立新的路由路径，保证整套系统不受干扰地正常运行。 无线发射模块发向各个采集节点，上位机接收到矿压数据 在系统硬件的低功耗方面，该系统采用了3项低功耗 后，由相应的矿压数据分析软件做多元化的分析处理。 技术，解决了无线传感器节点的节电问题：①独特的开关 1．1 采集节点的设计 电源加自创的延时启动供电技术，电源转换模块是一个受 无线传感采集节点是无线传感网络的组成单元，可看 脉冲触发的单稳电路，刚上电时，电路并不马上开始工作， 作是一种小型计算机，一般由四部分所组成：传感器模块、 而是经过约0．5s的稳定状态后给电路供电，这样做才能够有效 处理器模块、无线通信模块和能量供应模块，如图1所示。 减少瞬间启动时由于脉冲电流过大导致的电能损耗；②电 收稿日期：2012—03—15 作者简介：李潞斌(1966一)，男，山西潞城人，高级工程师，现任潞安集团潞宁煤业公司总经理，从事煤矿生产技术 及管理工作。 127 学兔兔 煤 炭 工 程 2012年第l2期 路启动后，由每分钟前 lOs建立路由并发送消息，平均耗 络设计的一个主要目标是最大化网络生命期。如果网络中 电40mA，其余50s全部深度休眠，不消耗电池的电量；③无 某些节点能量消耗过快，这对网络的生存期有很大的影响。 线通信采用能量多路径路由机制，源和目的节点之间建立 所以，每个节点能耗均衡也是路由算法的重要考虑因素。 多条路径，根据路径上节点的通信能量消耗、节点的剩余 本文主要研究基于最小跳数的能量自适应路由算法 能量以及节点之间距离等情况，给每条路径赋予一定的选 (MHEP)。该路由算法的关键思想是利用到sink节点的最 择概率，使得数据传输均衡消耗整个网络的能量，延长整 小跳数和路径节点最小剩余能量作为路由选择度量来完成 个网络的生存期。 信息包的转发。 1．2 路由协议的设计 节点发送信息时，首先搜索本节点的下一跳可用节点 无线传感器网络是一种能量有限的网络，且能量通常 集，从中选择路径最小、剩余能量最大的节点进行转发， 没办法得到补充。因此，在无线传感器网络中，利用有限的 下跳节点接收到该信息后作同样的处理，直至发送到目的 能量资源是任何路由算法首要考虑的因素。无线 无线网关设计 够自动分析初撑力、末阻力及来压步距。 无线网关的功能是将各节点采集数据上传至上位机，同 2 实例应用 时上位机能够最终靠网关向各个采集节点发送命令。网关包含 射频通讯模块、串口通讯模块、RTC实时时钟模块、CAN协 利用无线矿压监测系统在晋华宫煤矿进行了矿压监测， 议处理模块、数据U盘存储模块，基本功能模块分别为： 并以8701工作面35号架后柱实测数据为例，采用KJ21矿 1)网关通过无线射频模块ZigBee收集所有节点上传 压监测系统软件分析支架的初撑力及末阻力，分析结果如 数据。 图3所示，由此可见，无线矿压监测系统数据传输可靠、 2)无线网关把接收的无线数据通过串口通讯模块或 稳定，完全能满足井下支架压力实时监测的需要。 CAN协议处理模块传送到其它网络，同时也可把其它网络 l 1 l I I I 40 的数据通过无线模式发送到采集节点。 Z 3)数据u盘存储模块主要解决系统数据传输过程中出 30 o ． {。 现的障碍问题：若系统传输过程中线 l／ f_， 使上层网络与网关通讯断开，网关则将收集到的节点数据 暂存于u盘存储模块中，待通讯恢复后再上传数据。 O l 7：14：6 20：30：48 23：47：30 3：4：l2 6：20：54 9：37：37 4)RTC实时时钟模块基本功能是当通讯发生故障时， 3月21日 3月22日 RTC实时时间与数据一起存入U盘存储模块，以供上位机 时间 软件处理分析。 注：实心三角形表示初撑力点；实心四边形表示末阻力点 图3 晋华宫矿8701工作面35号架初撑力 1．4 上位机通信与数据分析处理 及末阻力分析 上位机软件采用微软的asp．net(c}})开发，数据库采用 SQL Se~er 2005，实现监测数据的实时显示及数据分析。能 (下转第131页) 】28 学兔兔 2012年第12期 煤 炭 工 程 息。 时，值为空，非success时，值为 “一”+return type。 2)流程运行过程中，各节点人员均有权查看流程的运 3)Service和Servicelmpl的单独设计，实现了模块间的 行状态，实现了流程的可视化监控。对于未完成节点，流 松散耦合及接口的灵活调用。同时，有利于代码复用及系 程发起者有权进行节点催办或节点替换。 统的后期维护，节约管理成本。 3．3 动态协同的体系结构 4)将Entity类作为专门的Model对象，存储与数据表 在考虑了系统的可实现性、未来的可扩展性及系 对应的属性及get、set方法。ModelDrivenInterceptor 统性能的基础之上，设计J2EE五层架构进行结构优化与编 负责将解析的URL参数或表单数据注入到Entity属性中而 码实现，为系统的动态协同设计提供底层技术支撑。J2EE 非Action中，完成流程布局信息及节点状态的快速检索和 五层架构如图3所示。 动态更新。 4 结 论 论文以流程管理为核心进行动态协同设计，使员工可 以直接在图形化界面下，结合实际业务需要动态发起协同 或改变协同，来提升系统对业务调整的快速响应能力， 实现企业的柔性管理。河北某矿业集团的实际应用，证实 了系统的敏捷性和健壮性。 图3 _I2EE五层架构图 参考文献： 1)系统中每个功能模块均包含上述五层包结构。视图 [1] 黄 斌，滕启龙．基于协同工作流的企业信息化系统研究与 层存放在WEB—INF目录下的content文件夹中，其余四层 实现 [J]．煤炭技术，2011，(3)：162—164． 存放在src目录下。这样设计将避免jsp页面被非法访问， [2] 王海智．基于工作流的协同办公系统的研究与实现 [D]． 有效保护源码。同时，易于模块集成与分割，对单元测试 成都：西南交通大学，2008． 和集成测试效率也有很大提高。 [3] 周 杨．现代物流公司多维度协同分析研究 [J]．计算机 2)引入SpringSide3．0来降低SSH2的使用难度，提高 应用研究，2012，(4)：1245～1299． [4] 李 虎，张 啸，仲 茜，等．流程可定制本体匹配框架： 编码效率。SpringSide3．0中的CodeBehind插件可简化xml
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