无线自组网矿井多绳摩擦提升机监测系统设计

马永强

（河北工程大学信息与电气工程学院， 河北 邯郸 056038）

引言

矿井多绳摩擦提升机是煤矿生产中的主要提升设备，根据《煤矿安全规程》423 条规定：“任一根提升钢丝绳的张力与平均张力之差不得超过±10%”。在实际生产过程中，由于各种因素的影响[1]，可能使提升过程中各根钢丝绳之间出现张力不平衡，从而降低钢丝绳的使用寿命，甚至引发各种恶性事故。

在分析国内外提升机钢丝绳张力监测研究现状[2-3]的基础上，构建一种自组无线网的矿井多绳提升机安全监测系统，在不影响连续生产的条件下，对钢丝绳受力情况进行实时监测，监测数据通过高集成度、低功耗的射频芯片构成的自组无线通信网络传送到监控中心，以便工作人员及时了解各根钢丝绳受力情况，采取应对措施，减少事故隐患做到安全生产。

1 监测系统结构设计

根据矿井多绳提升机工作的环境特点与无线网络系统的基本要求，整个系统分无线网络数据采集、传输子系统和上位机监控子系统三大部分。无线网络数据采集、传输系统中的各个无线传感器采集节点完成对钢丝绳张力、供电电池电量、环境温度等数据的实时采集，当数据采集节点收到由监控中心传来的取值指令后，把采集的数据交给网络，采用中继路由的方式传送给主控节点，再由主控节点打包给监控中心。上位机系统对从现场传来的数据进行分析处理，并依据数据分析结果所显示的需求对系统中的执行器件发出相应控制命令。

无线网络系统中各无线节点电路主要由微控制器C8051F310 和无线射频收发模块Si4432 组成。自组网矿井多绳提升机安全监测系统结构如图1 所示。

图1 系统结构示意图

2 监测系统自组无线通信网设计

根据系统无线通信设计需求，自组无线通信网由传感器数据采集无线网络节点、基站中继无线网络节点、主控节无线网络节点几部分组成。

2.1 传感器数据采集无线网络节点设计

数据采集节点电路中的张力传感器内部为应变电桥结构，传感器受压变形后，应变片阻值发生改变，经过电桥变换输出毫伏级电压信号。为避免因输出信号过低、微控制器检测灵敏度差的问题，在传感器输出端采用AD620 放大电路对信号进行600 倍放大。对放大后的模拟电压信号采用差分输入形式，通过C8051F310 内部ADC0 的通道0 和通道1 进行24 位高精度A/D 转换和数据处理。考虑到采集模块在实际工作环境中存在一定的干扰，如果只对采样一次A/D 结果进行输出，其结果是不可靠的。本系统采集节点在数据发送前，对数据多次采样，并采用算术平均值滤波法[4]消除随机干扰对数据产生的影响。

传感器数据采集无线网络节点在无线通信自组网中处于终端位置，每个节点在组网时分配一个属于自身的地址，当采集节点检测到来自网络广播指令中存在与自身匹配的地址时，把采集和处理后的数据交给邻近范围内的中继节点，再利用网络路由功能传送到主控节点。

2.2 基站中继无线网络设计

根据系统通信协议要求，基站中继无线网络具有实现对进入无线通信网络的指令和数据在各个中继无线节点之间进行寻址、交换、广播等功能。

基站中继无线网络中的各个节点在无线通信自组网中地位相等，主要承担路由功能，每个中继节点都具有报文的收发功能，受传输范围的限制，当两个节点不能直接通信时，可以通过中间节点进行转发，本质上提高了数据通信的可靠性。

2.3 主控无线网络节点

主控节点在整个无线网络系统中起着“中枢”的作用，负责协调无线通信协议中指令的发送、数据的收集、数据的处理和分析以及对数据处理结果响应等。该节点采用具有高性能、处理速度快、低功耗的嵌入式ARM Cortex-M3 内核的增强型STM32 型号16 位MCU 为核心设计，包括液晶显示电路、语音报警电路、功能按键选择电路、与上位机的RS232 串口通信转换电路等。

2.4 自组网无线通信协议设计

2.4.1 通信数据包格式

各个无线节点中的Si4432 芯片支持包和流两种方式收发数据，为了便于组网的设计，选择数据包的方式。数据包格式包括8 位前导码、8 位同步字、12 位地址位、24 位数据位、16 位校验位。在无线组网中通过配置数据包的地址位来识别不同的无线节点。

2.4.2 自组网通信协议

无线自组网中各个节点模块位置、任务的不同，决定其在通信中的角色不同。在无线自组通信网络中，每个中继节点充当路由器角色，参与通信的每个节点都是相互独立运行。固定在钢丝绳上的传感器终端节点由于提升机的运动，位置通常不能预先确定，每个终端节点与所有中继节点之间的相互邻居关系也不确定。因此，要求每个前端的中继节点具有自组织能力，能够自动寻找在它通信范围内的采集节点，网络的自组织性要求能够适应网络拓扑结构的动态变化。无线自组网数据通信协议程序流程图如图2 所示。

2.5 节点模块供电电源

自组无线通信网中的各个无线节点在安装中受煤矿实际环境限制，各节点供电电源均选取工业型12 V、12 A 蓄电池。每个节点模块电源入口电路板上设计有开关电源电路，完成把12 V 电压转换为5 V和3.3 V 电压后给MCU 和si4432 模块供电任务。为保证电池可靠供电，每个节点模块电路中利用C8051F310 的ADC0 输入通道2 设计有电池电量检测电路，当电池电量低于无线节点可靠工作的需求电压时，触发电量亏欠报警中断程序，通过主控节点语音提示工作人员更换电池。另外，为延长电池使用时间，当节点每次发送或接收完成后，在程序控制中，根据程序进程选择MCU 和si4432 处不同工作模式，从而在系统唤醒时间和功耗之间达到一个最佳平衡，进一步降低功耗。本系统低功耗的设计，可使每块电池使用时间达一年以上。

图2 无线自组网数据通信流程图

3 监测系统上位机程序设计

上位机程序设计采用NI 公司的Labview 工具进行开发。与前端数据采集子系统通过串口通信，上位机最终得到各钢丝绳传感器数据及提升设备行程和到位信号，并根据设定规则进行提升系统的故障分析及判断。上位机程序主要实现六大功能：系数标定、报警设置、数据存储、历史数据显示、数据曲线显示、提升机实时位置图形显示等，如图3 所示。根据各部分上位机程序功能要求，进行模块化程序设计。

图3 上位机总体功能框图

4 测试与分析

4.1 无线节点通讯距离及自组网路由功能试验

对装有标准匹配阻抗柱状天线的Si4432 无线节点模块进行通讯距离测试。在无线模块寄存器配置频段为433 MHz、输出功率为+20 dBm 和传输速率为1 200 bps 的条件下，分别在空旷野外和有楼房与树木阻挡的市区进行通讯测试，通过观察相邻两个无线节点电路液晶屏上发送和接收数据各字节是否一致，了解网络通信质量。经过反复试验比对，在以上两个测试环境中，无失真数据传输距离可以分别达到900 m 和600 m 左右。在考虑到矿井实际环境因素以及不同天气状况对无线电波传输距离存在一定影响，综合认定该无线模块在500 m 以内的可靠通信能得到保证。

在自组网路由的功能试验中，采用1 个主控节点、4 个中继节点和3 个数据采集节点，模拟矿井提升机系统工作环境进行布局。在布局时，相邻两个节点距离都在100 m 左右（为每个节点的天线周围增加屏蔽，减小传输距离，以便布局）。在试验过程中，数据采集节点模块随机自由移动，以模仿提升罐工作的上下运动。试验结果表明，自组网无线通信协议的绕行能力较好，稳定性良好，可实现数据的“就近原则”传输，最终达到各节点自组网的预期效果。

4.2 传感器数据采集电路参数检测

传感器采集电路在安装运行前要进行各项电路参数测试，对输出结果进行修正，以便得到提升设备上各根钢丝绳张力的实际数据。在钢丝绳牵引的提升设备不同的负载情况下，分多次对固定安装在钢丝绳上的传感器采集电路参数进行检测，表1 给出部分检测结果。

表1 检测数据表明，该张力传感器采集电路采集信号精度高、灵敏度大、误差小，满足工业生产数据测量需要。

表1 试验数据

5 结论

基于无线自组网的矿井多绳摩擦提升机安全监测系统集多种数据实时监测、无线通信、报警等功能于一体，具有组网简单、采集数据精度高、功耗低等特点，可极大提高矿井提升设备在煤矿生产中的安全系数。试验结果表明：该系统自组网通信可靠、运行稳定性好，应用前景十分广阔，有很好的推广价值。