吴士涛，汤建泉，杨 婕

（1.山东科技大学 智能装备学院，山东 泰安 271000；2.山东科技大学 采矿工程学院，山东 泰安 271000）

顶板离层是指巷道顶板岩层中一点与其上方一定深度岩层中某一点的相对位移量，当离层达到临界值时，巷道顶板则会发生冒顶。而顶板离层冒顶则是井下采矿作业常见事故，占井下采矿作业事故40%以上[1-2]。如何准确监测岩层内部离层状况，及时发现巷道顶板失稳前兆，并作出准确预警，避免事故发生，显得至关重要。

传统有线离层监测系统安装复杂，后期维护困难且成本高昂，无法满足可持续发展；而当前的无线监测系统，多采用节点中继且不休眠的工作模式，功耗大且故障率高，信号传输也不稳定，导致系统可靠性与实用性降低[3-4]。基于此，设计一款以WaveMesh协议为无线通信网络和以STM32单片机为主控芯片的煤矿顶板离层监测系统。

1 WaveMesh网络特点及系统总体设计

1.1WaveMesh网络特点

WaveMesh是一种简单、可靠的无线移动自组网网络协议，具有低功耗、低成本特点[5-6]，其定义了完备的链路层和网络层。

WaveMesh网络采用分布对等设计，不需中心节点进行路由，每个节点可以独立运行路由信息。包括集中器和节点在内的所有设备即插即用，节点可以随意增加或者移除，网络不需要初始化。相比校ZigBee中心路由节点不能休眠，WaveMesh网络中所有节点都支持同步、异步等多种休眠机制，能够给有效地降低功耗[7-8]。此外WaveMesh网络中节点能够链路质量、网络拓扑结构的变化自动选择最优路径进行数据传输，能够充分利用网络冗余，具有优异的适应性、自愈性和可靠性[9]。

1.2 系统整体设计

顶板离层无线监测系统由井上部分与井下部分组成。为了后续能够对监测系统进行升级，在监测顶板离层的基础上，将锚杆锚索应力监测、支撑压力监测等融入到系统中，采用主站、从站设计方式，系统结构图如图1。

图1 系统结构图Fig.1 The diagram of system structure

井下部分用来进行顶板离层偏移量数据采集，主要由顶板离层监测仪、本安型无线监测分站、本安型无线监测主站、防爆电源组成；井上部分进行数据处理，利用软件解析来显示、存储数据，进行相应配置操作或者作出预警。系统各个组成部分具能如下：

1）顶板离层监测仪。内置2个高精度位移传感器，可以分别测量巷道顶板或两帮深浅基点离层位移量，每个测量断面设置3～5个测量点。

2）本安型无线监测分站。汇总1个测量断面内所有离层仪测量的数据，同时将数据通过无线通信向上传输给监测主站，其逻辑上相当于1个通信节点。同时在硬件设计上预留了升级接口。

3）本安型无线监测主站。与监测分站之间通过组网系统进行数据与信息传输，用于汇总1个巷道内所有测量断面监测分站传输的数据，并通过光缆将离层数据上传至井上，在逻辑上相当于1个通信集中器[10]。

4）防爆电源。用于给监测分站和监测主站供电。

5）信息传输接口。用于将数据或指令转换。

2 系统的硬件

2.1 顶板离层仪

顶板离层仪通常安装在巷道顶板或者两帮，为了符合井下防爆标准，兼顾安装方便，采用电池供电且电池不能随意更换，为此在硬件电路设计上须进行低功耗设计，最大限度降低功耗。顶板离层仪功能框图如图2。

图2 顶板离层仪结构图Fig.2 The structure chart of roof separation layer

为了既能满足对离层数据进行采集，又最大限度降低功耗，延长离层仪使用周期，对离层数据进行间隔采集，在采集时间间隔期间，离层仪处于休眠状态。

1）红外模块电路。为了安装时对离层仪进行校正及参数配置，设计红外通信电路，通过手持红外操作器即可完成校正与参数配置工作。其中红外收发芯片采用低功耗的TFDU6103，编解码器则采用低功耗、高算速的MCP2012，红外通信电路如图3。

图3 红外通信电路Fig.3 The infrared communication circuit

2）光敏与显示模块电路。为了方便井下及时查看监测点的位移数据以及离层仪电池电压，离层仪采用就地显示方式，利用4位共阴极数码管依次显示离层仪电池电压、深浅基点的位移数据，采用74LS164实现片选信号。为了降低离层仪功耗，延长离层仪在井下使用周期，采用光敏触发方式来实现离层仪就地显示，即在井下，当使用矿灯或者其他光源照射离层仪时，光敏元件引发中断，从而唤醒离层仪，数码管显示工作状态，之后离层仪重新进入睡眠状态，数码管熄灭。

3）传感器电路。由于井下工作环境复杂且恶劣，在考虑传感器测量精度的同时，对传感器的可靠性与可用性提出了更高的要求，为此采用BOURNS多线圈电电位器3590s-2-103L位移传感器。利用MCU内部12位A/D转换器，将传感器采集的位移参数转换为数字信号，传感器模块电路如图4。

图4 传感器模块电路Fig.4 Sensor module circuit

2.2 无线监测站

由于无线监测分站与主站同时进行数据处理与多种通信工作，需要控制芯片有很强的运算处理能力，因此采用ST公司的STM32F103VET6作为监测站的主控芯片，监测站结构图如图5。

图5 监测站结构图Fig.5 The diagram of monitoring station structure

其中，与分站相比，监测主站在硬件部分则多了1个485接口和外部存储SD，485接口用于和井上进行通信，使用SD卡存储离层数据。

1）存储模块电路。系统存储主要为2部分：①用来配置系统存储时间、数据采集模式、采集间隔等参数信息，方便系统上电之后从存储模块中读取参数，快速完成初始化配置，设计在硬件上采用FM24W256芯片，采用SPI总线方式与主控芯片进行读写操作；②用来存储位移参数信息，由于1条巷道中，整个系统安装的监测点多大几十个，且工作时长在1～2年，需要存储数据信息巨量，在存储方案上选择便携式SD卡，存储模块电路如图6。

图6 存储模块电路Fig.6 Storage module circuit

2）时钟模块电路。监测主站与分站之间通信间隔、离层仪位移参数采集以及RTC定时唤醒等等工作状态需要精确时钟。为了提高系统的稳定性与时钟精度，使用一款低功耗、工业级时钟芯片NXP8563T作为系统外部时钟，时钟模块电路如图7。采用I2C总线方式MCU或STM32进行数据交换，时钟芯片内部复位低电压监测、时钟监听、报警灯功能，具有非常高的性价比。

图7 时钟模块电路Fig.7 Clock module circuit

3）无线通信电路。针对监测主站与分站之间要进行指令分发与数据传输，同时考虑到巷道可能会增加断面监测，导致分站数量增加，或者某一分站故障等因素，采用基于WaveMesh协议的微功率、低功耗无线自组网模块，在无线终端增加、减少或者缺失时，能够重新寻找并覆盖原始网络，提高系统运行可靠性，无线通信电路图如图8。

图8 无线通信电路图Fig.8 Wireless communication circuit

4）电源电路。不论是监测站还是离层仪都包含众多模块，各个模块的工作电压也有相应要求，为了降低系统的功耗、保证系统工作的稳定性，需要选择合适的稳压芯片进行电源电路设计，电源模块电路图如图9。

图9 电源模块电路图Fig.9 Circuit diagram of power supply module

3 系统软件

3.1 系统主程序

系统采取主从结构设计，即监测主站通过WaveMesh无线网络向所有分站进行广播，索要监测数据；分站在获得指令之后，通过RS485协议与离层仪进行通信，获取传感器数据，再通过组网系统向主站发送数据，主站软件流程图如图10。

图10 主站软件流程图Fig.10 Master station software flow chart

由于主站的控制核心采用STM32单片机，所以在上电之后，系统首先要对包括外部中断、UART、按键、显示、RTC时钟等进行端口配置；之后从EEPROM中读取系统包括采集时间周期、本机地址、数据传输速率等配置信息，并对系统的外部存储，实时时钟进行检测，利用UART接口与无线通信模块进行首次握手通信，确保无线通信模块能够正常工作，一旦在系统自检过程中，端口或者外设异常，则会通过LCD显示进行报错。

若系统自检无异常，信息配置成功后，系统自动进行无线组网；当采集周期到达时，主站则通过无线模块进行全网广播，索要位移参数；分站接到广播之后，与离层仪进行通信，获取传感器数据，并自动选取最有路径将数据传输给主站，主站同步将数据存储、显示并上传井上。

3.2 无线监测分站程序

无线监测分站在逻辑上相当于1个通信节点，离层仪通过RS485总线与分站直接连接，所以为了减少后期维护，延长使用寿命，在软件设计上必须进行低功耗设计，即采集间隔内，处于休眠状态。分站软件流程图如图11。

图11 分站软件流程图Fig.11 Substation software flow chart

同主站一样，在上电之后，也需要端口配置、自监测等操作，待信息配置成功后，分站MCU则将组网申请命令通过无线节点发送给主站，申请加入网络，到成功加入网络之后，等待主站广播命令，将离层仪位移参数发送给主站。

在组网状态下，主站无广播或者数据成功发送之后，分站则自动切断LCD显示等外设电路电源，进入休眠状态；当RTC定时时间到达时，自动唤醒。

3.3 顶板离层仪程序

离层仪软件主要实现位移参数采集与上传，声光报警，数码显示等功能，同时也要兼顾低功耗。离层仪软件流程图如图12。

图12 离层仪软件流程图Fig.12 Roof separation software flow chart

在传感器采集位移数据之后对其进行判断，一旦顶板离层超过限值，则进行预警；当在井下使用矿灯照射离层仪时，光敏电路触发中断，数码管显示实时位移值。在得到分站索要数据指令时，通过RS485总线将数据上传分站，随后进入休眠状态。

4 系统测试验证

以单节点为例搭建顶板离层监测系统，其中顶板离层仪上接无线监测分站，分站通过WaveMesh网络将节点监测的顶板离层数据传输给监测主站，主站将数据存储到SD卡的同时通过信号转换装置上传至上位机显示。

为检验顶板离层仪数据监测的准确性，通过人为牵动深、浅基点测绳来模拟井下工作面顶板发生位移情况，实验测量数据结果表明，位移误差能够控制在1mm以内，顶板离层仪实验测量数据见表1。

表1 顶板离层仪实验测量数据Table1 Experimental measurement data of roof separator

为进一步验证系统的可靠性与实用性，在山东新汶某煤矿井下进行安装试验。在长度为1500m的巷道中，每50m为1个监测节点，共计安装40个顶板离层，分别对监测节点的深、浅基点变化量进行监测。从2019年8月安装完成至今，系统运行稳定。现场应用结果证明，基于WaveMesh网络设计的顶板离层监测系统数据采集可靠、无线传输稳定，满足煤矿巷道顶板位移的监测需要。

5 结 语

基于WaveMesh网络与STM32设计了煤矿顶板离层监测系统，系统采用主、从站结构，从站与离层仪相接，负责位移数据采集；主站则负责数据存储及通过光纤与井上通讯，利用WaveMesh低功耗无线自组网网络实现主、从站间的数据传输。系统无需由本安电源供电的中继器进行信号中继，具备全网休眠、信号中继、超低功耗的特点，解决了目前监测系统存在的可靠性、实用性差的问题。