基于能量自给的煤矿无线监测网络的研究与设计

王飞.基于能量自给的煤矿无线监测网络的研究与设计[J].矿业安全与环保,2016,43(2):30-32.文章编号:1008-4495(2016)02-0030-03开开发发设设计计基于能量自给的煤矿无线监测网络的研究与设计王摇飞(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039)摘要:针对煤矿井下矿用无线传感器的电池使用寿命有限、更换困难的问题,提出一种基于能量自给的煤矿无线监测网络的设计方案,将巷道中风流的风能转换为电能,以供矿用无线传感器使用。重点研究了低功耗技术和数据融合技术,降低矿用无线传感器平均功耗,即使巷道长时间风力较弱或无风,矿用无线传感器仍能正常工作一段时间。该网络组网灵活、安装快捷、维护方便,对煤矿安全监测网络及系统的应用起到重要作用。关键词:能量自给;风能;低功耗;数据融合技术中图分类号:TD76;TP273摇摇摇文献标志码:B摇摇摇网络出版时间:2016-04-0621:36网络出版地址:收稿日期:2015-06-27;2015-10-08修订基金项目:工业和信息化部物联网发展专项资金项目(2014083105)作者简介:王摇飞(1984—),男,安徽铜陵人,硕士,主要从事煤矿安全监测系统和无线通信技术等方面的研究工作。E-mail:[e-mail]。ResearchandDesignofEnergySelf-supplyingMineWirelessMonitoringNetworkWANGFei(ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupChongqingResearchInstitute,Chongqing400039,China)Abstract:Tocountertotheproblemsofshortservicelifeanddifficultreplacementofthebatteriesusedintheminewirelesssensor,adesignschemeofanenergyself-supplyingminewirelessmonitoringnetworkwasproposed,whichconvertsthewindenergyintheroadwayintoelectricityforuseintheminewirelesssensors.Inthispaper,studywasemphaticallymadeonthelow-powerconsumptiontechnologyandthedatafusiontechnology,whichcanreducetheaveragepowerconsumptionoftheminewirelesssensors,evenifthewindisweakorthereisnowindintheroadwayinalongtime,theminewirelesssensorcannormallywork.Thissystemhasthefeaturesofflexiblenetworking,fastinstallationandconvenientmaintenanceandplayedanimportantrolefortheapplicationofminesafetymonitoringnetworkandsystem.Keywords:energyself-supplying;windenergy;low-powerconsumption;datafusiontechnology摇摇我国煤炭生产主要是地下开采,井下环境恶劣、矿井结构复杂,伤亡事故时有发生,因此煤矿安全监测系统得到了广泛应用,比如瓦斯监控系统监测井下各地点的瓦斯气体浓度,顶板压力监测系统监测井下重要巷道顶板压力等。大多数监测系统采用有线方式传输,布线成本高、移动性差、扩展性差,且容易损坏、线路易老化,随着煤矿巷道不断向前延伸,有线监测系统难以实现全矿井环境监测。近几年,随着无线通信技术的发展,具有低成本、低功耗等特点的无线通信技术在煤炭行业得到普遍应用,如RFID、ZigBee技术等[1]。因此,在现有的有线监测网络基础上,采用无线通信技术能够较好地实现煤矿井下安全监测的无缝覆盖,同时还降低了安装难度和布线成本。但是,矿用无线传感器取电问题极大地影响了无线监测网络的应用[2]。由于煤矿井下供电条件的限制,大多数矿用无线传感器使用电池供电;由于成本和体积要求的限制,电池使用寿命有限,一旦安装后电池更换困难甚至无法更换。为解决矿用无线传感器供电问题,笔者提出一种矿用无·03·Vol郾43No郾2Apr郾2016摇摇摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇第43卷摇第2期2016年4月线传感器能量自给方法及能量自给的煤矿无线监测网络的设计,即将巷道中风流的风能转换为电能,供矿用无线传感器使用,采用低功耗技术和数据融合技术,实现全矿井无线覆盖,对环境变量及生产参数进行实时监测,极大地提高了安全监测和预警水平。1摇系统整体方案设计基于能量自给的煤矿无线监测网络的拓扑结构图见图1,主要包括无线网关和无线传感器,其自组成一个多跳无线Mesh网络。无线网关通过有线方式接入矿井以太环网,与地面监控主机交互信息。无线传感器通过无线中继的方式组建一个无线Mesh网络,负责采集、上传本地数据,转发其他无线传感器采集的数据,储存由风能转换而来的电能[3]。图1摇无线监测网络拓扑结构图摇摇无线网关采用有源供电,无线传感器采用电池供电,同时其电池可以由风能转换电能装置充电,能够保障无线传感器长期有效的能量供给。无线传感器采用低功耗设计,而且无线监测网络采用低功耗和数据融合技术,能够降低无线传感器的平均功耗。2摇无线传感器2.1摇硬件设计无线传感器模块如图2所示,主要包括4部分:集成射频模块的SoC芯片、传感探头、风能转换电能装置、储存能量单元(包含电池组1和电池组2)。图2摇无线传感器模块框图摇摇采用集成射频模块的SoC芯片可以将功耗设计得更低,采集传感参数,通过射频与其他无线传感器或无线网关进行通信。风能转换电能装置主要是将煤矿井下巷道内风流的风能转换为电能输出。储存能量单元包含2个电池组,工作过程中一个电池组充电另一个电池组放电,避免充放电不彻底,造成电池容量锐减。如果电池组1在给MCU+RF供电,则电池组2将充电。MCU上电后,首先采用默认电池组(电池组1)供电,然后检测之前使用的电池组电量,如果满足要求,则使用之前电池组供电,如果不满足要求则更换电池组供电。2.2摇软件设计无线传感器软件流程图如图3所示。图3摇无线传感器的软件流程图摇摇无线网关和无线传感器(已经加入网络)周期性地广播信标帧,无线传感器(未加入网络)侦听到该信标帧后,认为周围存在邻居设备,在接收信标帧的同时,完成时间同步,计算出工作状态的开始时间。无线传感器上电后,首先被动扫描网络,周围是否存在其他无线传感器,如果没有侦听到其他无线传感器或无线网关,则进行休眠,休眠唤醒后继续侦听。·13·第43卷摇第2期2016年4月摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇摇摇Vol郾43No郾2Apr郾2016如果侦听到其他邻居,首先在接收信标帧时完成时间同步,然后计算出工作状态的开始时间。3摇无线网关无线网关模块如图4所示,主要包括4部分:集成射频模块的SoC芯片、LED显示管、485通信接口、串口转以太网模块。LED显示管用于显示无线网关工作参数和工作状态;485通信接口和串口转以太网模块可以使无线网关接入矿井以太环网。图4摇无线网关模块框图4摇关键技术基于能量自给的煤矿无线监测网络的设计与实现关键技术包括低功耗技术和数据融合技术[4]。4.1摇低功耗技术尽管无线传感器能够保证能量自给,但如果巷道长时间风力较弱或无风,或者风能转换电能装置出现故障,此时为保证无线传感器能够正常长时间运行,就必须降低无线传感器功耗,需要进行无线监测网络低功耗设计,即无线传感器在没有数据通信任务时,关闭射频,MCU进入睡眠模式[5]。如图5所示,在无线监测网络中,无线传感器存在两种状态:工作状态和休眠状态。工作状态中存在两种模式:扫描模式和数传模式。图5摇无线传感器工作、休眠时间摇摇因此,煤矿低功耗无线监测网络的设计思路是减少无线节点工作时间和增加无线节点休眠时间。工作状态下,无线传感器需要完成时间同步、确定当前最优父节点和冗余路径、发送采集的传感数据和转发其他节点的传感数据。休眠状态下,无线传感器需要关闭射频模块,且MCU进入睡眠模式。当有新的无线传感器加入煤矿无线监测网络时,必须进行时间同步,以知道工作状态的开始时间和结束时间,以及休眠状态的开始时间和结束时间。4.2摇数据融合技术煤矿无线监测网络组成成功后,某些无线传感器成为路由节点,组建成线型网络,如图6所示。图6摇路由节点摇摇基于数据融合技术汇聚无线传感器数据至无线网关分两个步骤:淤路由节点收集子节点传感器数据;于路由节点向无线网关发送传感器数据[5]。在路由节点收集子节点传感器数据时,路由节点根据网络深度确定收集终端子节点传感器数据的时间,以4跳为一个循环,无线网关和路由节点工作时间如表1所示。表1摇无线网关和路由节点工作时间时摇段状摇态第1时段无线网关、路由节点4、路由节点8等,收集终端子节点数据第2时段路由节点1、路由节点5等,收集终端子节点数据第3时段路由节点2、路由节点6等,收集终端子节点数据第4时段路由节点3、路由节点7等,收集终端子节点数据摇摇路由节点向无线网关发送传感器数据时,所有终端节点的传感器数据均汇聚到父节点,各个路由节点采用融合技术,将多个较短的数据包融合为单个较长的数据包,分时地汇聚到无线网关。5摇试验与结果分析根据矿井通风设计规范,煤矿巷道风速规定如表2所示。表2摇煤矿巷道进风流气温与对应风速煤矿巷道进风流气温/益煤矿巷道风速/(m/s)201.5逸20~261.5~1.8逸26~301.8~2.5逸302.5~3.0摇摇在本项目中采用微型风力发电机发电,其额定功率为10W,输出电压为0~30V,启动风速仅为1郾3m/s,小于煤矿巷道最低风速,可以在煤矿井下使用。在试验过程中,将微型风力发电机置于测试风洞出口处,风速为0~8m/s(无级可调),模拟煤矿巷道风速,微型风力发电机输出端连接测试终端,通过检测输出电压和电流,可得微型风力发电机输出功率,测试结果如图7所示。(下转第36页)·23·Vol郾43No郾2Apr郾2016摇摇摇摇摇摇摇摇摇矿业安全与环保MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION摇摇摇摇摇摇摇第43卷摇第2期2016年4月自主定位的一门新技术,可以满足井下无电、无网络时应急避险导航需要。基于地磁导航定位的便携式井下避险系统,是将地磁导航、井下定位、避险路径分析集成一体的电子平板,在井下定位系统工作正常时,可以辅助系统提高井下人员定位精度。一旦灾害发生后供电中止或信号中断,井下定位系统无法正常工作时,可以发挥替代作用,满足井下应急避险或救援的路径分析与导航的需要。文中仅架构了井下地磁导航理念与工作原理,对于井下地磁场数学表达、井下导航匹配算法和去噪模型还需开展一系列基础研究。参考文献:[1]陈继方,何美香,黄晓东.对煤矿紧急避险系统建设方案三个文件的解读[J].煤炭工程,2014,46(11):1-4.[2]盛武,高明中,杨力,等.煤矿紧急避险体系构建与应急救援模型研究[J].中国安全科学学报,2011,21(4):171-175.[3]郭才发,胡正东,张士峰,等.地磁导航综述[J].宇航学报,2009,30(4):1314-1320.[4]李兴城,张慧心,张