礦井液壓支架監(jiān)測方式通常有兩種：一是井下人工讀取數據后帶到地面計算機進行數據分析處理；二是通過RS485總線或者現場總線進行遠距離在線監(jiān)測與數據采集傳輸到地面計算機顯示和分析。很明顯，第一種方式實時性不高，第二種方式優(yōu)于第一種。但是，根據某煤礦項目的實際應用表明，第二種方式系統(tǒng)布線復雜，隨著開采工作面的推進以及升降架等操作，有線網絡極易被扯斷，導致現場采集的壓力數據無法上傳到地面計算機，系統(tǒng)處于半癱瘓狀態(tài)，使煤礦的安全留下了嚴重的隱患。針對目前國內在液壓支架監(jiān)測方面存在的問題，本文設計了一種基于無線傳感器網絡（WSN）的工作面液壓支架在線監(jiān)測系統(tǒng)。
1 壓力傳感器網絡結構
    本文設計的壓力監(jiān)測傳感器網絡結構如圖1所示，包括傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點）。壓力傳感器節(jié)點完成壓力數據采集和多跳中繼傳輸；簇頭完成成員節(jié)點數據的收集、數據融合和轉發(fā)的功能。Sink節(jié)點完成壓力數據的匯集和無線與有線信號的轉換，實現CAN總線接入，上傳到地面計算機實時監(jiān)控。傳感器節(jié)點以分簇的形式構成網絡，通過簇間多跳方式，將壓力數據傳到Sink節(jié)點，最終實現整個網絡覆蓋范圍的液壓支架壓力監(jiān)測 。由于綜采面液壓支架推進相當緩慢，無線傳感器網絡的拓撲結構近似認為是直線型；同時每一個液壓支架都已經編號，可以認為位置已知[1]。

1.1 壓力傳感器節(jié)點硬件設計
    如圖2所示，第一級網絡主要由無線傳感器網絡構成，采用業(yè)界極具競爭優(yōu)勢的ATmega128L單片機，加上無線RF單元CC2420、信號調理模塊AD620、壓力傳感器SLM211、液晶顯示1602，采用5V/4 800mAh可充電鋰電池供電。

1.1.1 微控制器模塊選型
    微控制器模塊是無線傳感器節(jié)點的計算核心，它負責節(jié)點設備控制、任務調度、通信協(xié)議、同步定位、數據融合和數據轉儲等程序的運行。微處理器選型主要從兩方向考慮：(1)能夠片上集成AD，具有較高的處理速度，低功耗，外圍資源豐富等特點。(2)ＺigBee協(xié)議對系統(tǒng)微處理器的要求有：至少是8 bit MCU；完全的協(xié)議棧：ROM<32 KB；簡單功能節(jié)點協(xié)議棧：ROM 約6 KB；協(xié)調器還需要足夠的RAM。用于保存節(jié)點器件數據庫、傳輸路由表等。根據以上要求，本系統(tǒng)選用了ATmega128L微控制器，它是目前AVR系列中功能最強大的8 bit微控制器。ATmega128L在使用16 MHz時鐘時，速度可達16 MIPS；它具有6種不同等級的低能耗操作模式；片上集成8路10 bit ADC通道、8個PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器、UART、SPI、I2C總線和JTAG口等。它具有片內128 KB的程序存儲器(Flash)，4 KB的數據存儲器(SRAM)，在不外擴存儲的情況下，能夠滿足對ZigBee協(xié)議棧的支持，芯片價值不足5美元，使其在性價比方面更具誘惑力[2]。
1.1.2 無線通信單元CC2420
    CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器，它實現ZigBee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層，具有超低電流消耗(RX：19.7 mA，TX：17.4 mA)，高接收靈敏度(-99 dBm)，快速喚醒時間（f<30 ms)，支持數據傳輸率高達250 kb/s等特點。ATmega128L與CC2420連接如圖3所示。

    微控制器ATmega128L通過SPI口對CC2420進行工作模式的設置，通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/接收緩存器。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計，通過SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入[3]。
1.1.3 壓力傳感器和信號調理模塊
    SLM211為硅壓阻式壓力傳感器，量程為0～60 Mpa，0.4 mA恒流供電情況下，滿量程輸出電壓信號只有30 mV左右，屬于微弱信號。由于要求壓力傳感器達到滿量程輸出時，需要將輸出的微弱信號放大到單片機可以識別的電壓，因此對運算放大器提出了較高的要求。
   

1.2 Sink節(jié)點硬件設計
    如圖5所示，Sink節(jié)點和普通節(jié)點基本相同。這里考慮到存儲能力的問題，外擴了一個容量為512 KB的FLASH存儲器AT45DB401?，F場總線通信部分由CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器CTM8251T構成。對MCP2515的初始化和操作通過模擬SPI接口實現，讀寫函數程序分別記作void SPIByteWrite(uchar addr，uchar value)和uchar SPIByteRead(uchar addr)，源程序略[4]。

    Sink節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網絡與有線網絡CAN總線，實現2種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，同時具有存儲轉發(fā)能力，并把收集的數據轉發(fā)到外部網絡上。
2 網絡通信協(xié)議研究
    網絡通信協(xié)議負責使各個獨立的傳感器節(jié)點形成一個多跳的數據傳輸網絡。在系統(tǒng)通信協(xié)議設計中，WSN 采用分層通信協(xié)議，由物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層構成，并通過能量管理平臺和任務平臺實現對各層協(xié)議的有效控制，形成無線傳感器網絡的連通拓撲圖結構。其網絡結構如圖6所示。

    本文設計了一種適用于礦井的基于簇的結構路由選擇算法，它是對LEACH協(xié)議的改進和簡化，各個簇頭已經指定，傳感器的位置固定，直線型的拓撲認為不變，各個簇頭節(jié)點能夠進行相互通信。數據上傳有2種方式：通過Sink節(jié)點發(fā)布查詢命令；各個節(jié)點定時上傳數據。同時，本系統(tǒng)還完成了Sink節(jié)點與用戶PC機的交互通信設計，實現了網絡管理所必須的控制信息傳遞，以及對壓力數據的顯示和分析[5]。
3 系統(tǒng)軟件設計
    軟件設計主要包括傳感器節(jié)點和Sink節(jié)點的軟件設計。
3.1 壓力傳感器節(jié)點軟件設計
    壓力傳感器節(jié)點負責將采集到的壓力數據傳送給簇節(jié)點，同時，接收來自Sink節(jié)點的查詢命令。當沒有數據的發(fā)送、接收時，轉入休眠模式，使節(jié)點功耗降到最低。其工作流程圖如圖7所示。

3.2 Sink節(jié)點軟件設計
    Sink節(jié)點一方面負責組建無線網絡，另一方面將2個使用不同協(xié)議的網絡連接在一起，實現2種協(xié)議之間的通信協(xié)議轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的通信任務，并把接收的壓力數據轉發(fā)到外部網絡上。Sink節(jié)點軟件流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)裝置測試及結果分析
    鑒于實際應用中工作面距離井上調度室約4 km的情況，將Sink節(jié)點的CAN總線波特率設置為10 kb/s(理論傳輸距離6.7 km)，實際應用顯示10 kb/s的傳輸速率完全能滿足傳輸距離的要求。由文獻[6]知，由于工作面存在金屬支架和采煤機等設備，無線電信號強度衰減很大，通信距離在20 m的范圍內。在前20 m時，RSSI值保持在-89 dbm，收包率保持在90%，但30 m時已經驟減到-92 dbm和54%，無法實現穩(wěn)定的接收。因此為了保證無線網絡的穩(wěn)定性，采用每20 m設置一個簇節(jié)點，保證網絡覆蓋范圍內壓力數據的實時監(jiān)測[6]。
4.1 測試結果
    表1是在實際測試中，上位機軟件記錄的某一時刻20個液壓支架設備的壓力值。
4.2 結果分析
    由表1可以觀察到壓力變化范圍在20 Mpa左右的正常變化范圍。從實時顯示20個支架壓力數據來看，相鄰支架的壓力變化不明顯，所以可以根據測試結果對采集點進行分組，每1~2個支架安裝一個傳感器節(jié)點，既可以降低系統(tǒng)費用，又可以解決因采集點過于密集、數據量大帶來的數據上傳速度的瓶頸問題。同時通過上位機提供的歷史數據曲線，可以方便掌握工作面周期來壓規(guī)律、升降架次數、壓力變化趨勢等信息。

    本文設計的基于無線傳感器網絡（WSN）的工作面液壓支架在線監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用WSN的自組織網絡、多跳路由通信和能量管理方案等特點，保證了網絡的可靠性、獨立性和網絡的生存周期。實驗測試表明，該系統(tǒng)在保證測量誤差的情況下，可以很好地解決支架壓力監(jiān)測問題。作為功能的擴展，可以考慮在每個傳感器節(jié)點上加入瓦斯傳感器、溫度傳感器、煙霧和灰塵濃度等傳感器，這樣可以全面獲得工作面的各個環(huán)境參數，更加有效地保障煤礦的安全生產。
參考文獻
[1] 孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.
[2] Atmel Inc．ATMEGA128L datasheet[DB/OL]．2003．
[3] Chipcon AS SmartRF．CC2420 preliminary datasheet(1.2)，2004.
[4] 饒運濤，鄒季軍，鄭勇蕓．現場總線CAN原理與應用技術[M]．北京：北京航空航天大學出版社，
     2003.
[5] 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡[J]．軟件學報，2003，14(7)：1282-1291.
[6] DING E J，WANG M Y，WEN J C，et al.Performance evaluation of 2.4 GHz wireless sensor nodes transmission  in coal mine.2009 WRI World Congress on Computer Science and Information Engineering，2009：452-455.