基于WSN的支架工作阻力监测系统设计

1、    基于wsn的支架工作阻力监测系统设计    王青青孙玉龙摘要： 针对当前煤矿中普遍使用的液压支架工作阻力的情况和优缺点，在安全生产运行、数据可靠性、经济效益、数据传输的实时性、采集节点的能耗等多方面进行了综合考虑。基于wsn设计了一种对煤矿井下综采工作面液压支架工作阻力进行实时监测的创新型系统，本系统具有成本低、功耗低、安全性高、数据可靠性强和实时性高等特点。关键词：wsn；支架工作阻力；监测：tp311 ：a ：1009-3044（2017）33-0250-02abstract： according to the widely used of

2、working resistance of hydraulic support in the current coal mine situation， the advantages and disadvantages， safety， reliability， data communication， data transmission， real-time acquisition node energy consumption. the innovative design of a wsn system for fully mechanized mining face underground

3、coal mine hydraulic support working resistance based on the real-time monitoring， this system compared with traditional hydraulic support has lower cost， lower power consumption， higher security， data reliability and more advance in the high real-time performance etc.key words： wsn； hydraulic suppor

4、t working resistance； monitor我国是能源生产和消费大国，在近几年我国的能源生产、消费中煤炭消耗总量迅速增加。在未来的能源消费中，虽然煤炭在能源消费中的比例会逐年下降，但是煤炭依然是中国最安全稳定可靠的能源，相对于发国家，我国煤炭工业的整体技术水平落后，这是我们不能逃避一个事实，因此要逐步降低煤炭消费比例，大力发展煤炭开采科技工作不容忽视1。煤矿长期开采工作的主要设备是液壓支架，它主要用来控制采煤工作面矿山压力的结构物，是煤矿综采中不可缺少的配备设备，从而保证采煤工作的安全进行。通过查阅国内外液压支架工作阻力监测技术状况和它们的优缺点2，根据多方面的综合考虑，本文设计

5、了一种基于wsn的支架工作阻力监测的创新型系统。1 系统组成系统主要由井上和井下这两个部分组成。井上部分由地面工控机、交换机、服务器、备用服务器、can总线组成；井下部分由压力传感器、路由节点、汇聚（sink）节点、有线本安电源、中继器、can总线组成3，如图1所示。支架工作阻力数据的采集节点，采用电池供电，利用中间节点，以多跳的方式构成无线网络，向其他节点发送信息。其中液压支架数据采集节点每3分钟就会采集一次液压支架的受力情况。当液压支架上的压力值超过预先设定的报警临界值时，就会进行报警提示。从而降低采集节点的功耗，实时的发送最新的数据，保证数据的实时性。通过路由节点将采集节点传来的数据传到

6、汇聚节点。同时每个采集节点将采集到的实时数据显示在自身携带的液晶屏显示模块上，方便井下工作人员实时查看各个液压支点的受力情况。为防止井下突发断电的紧急情况，路由节点采用本安电源供电，为每一个路由节点配带备用电池，预防工作系统不能正常运作的情况，保证井下采矿工作安全有效进行。汇聚节点将每个节点的数据传至上位机，保证地面上使用者进行实时数据的分析。sink节点采用本安电源供电，并且每个节点都会配带备用电池，防止井下突发断电的情况。2 系统实现2.1 支架工作阻力监测系统的硬件设计井下支架工作阻力数据的采集是整个液压支架工作阻力监测系统设计的核心部分，支架工作阻力监测系统主要由压力数据采集节点、路由

7、节点、sink节点组成。虽然这三个节点的硬件整体设计不同，但是这三种节点均采用cc2430作为mcu模块。该系统在硬件设计上，将压力传感器安装在液压工作支架前柱和后柱上，进行液压工作支架多点测量。压力传感器上的金属收到外力作用时，其长度和横截面积都会发生一定的变化，电阻值就会改变，通过测量两端电阻电压进行 a/d转换，转换压力值。利用路由节点以多跳的方式向其他节点发送心信息。将液压支架数据节点采集的受力情况传到sink节点，同时将信息显示在的液晶屏显示模块上。当采压力值大于报警临界值，报警模块就会向井下工作人员发出报警信息。sink节点是指无线传感网络的汇聚节点，主要负责传感网与外网的连接。有

8、着非常广泛的应用，具有较强的通信能力，这些节点通过自组织的方式构成网络，各个节点沿着其他节点进行相互通信，通过管理节点进行发布监控数据。sink节点适合在各种苛刻的环境下，节点甚至可以在露天环境下工作，不容易易损坏。sink节点具有较强数据处理能力，它能实现无线传感器网络与有线can总线两种通信协议之间的转换，同时它还能对节点的通信任务进行管理、对接收的数据进行存储并将数据转发到外部网络等功能。路由节点负责将簇内压力数据采集节点所监测的各个工作阻力数据进行汇总，通过数据融合以及多跳传至sink节点，同时路由节点通过找寻、建立和修复网络报文的路由信息可以有效地延长网络的覆盖范围。在硬件电路设计上

9、，sink节点与路由节点有很多相同点，只需要在路由节点模块硬件设计上把液晶显示模块改成can总线收发模块。 当支架工作阻力监测系统采集到的数据超过报警临界值时，主要进行三种报警模式：1）发送报警信息给井下数据传输模块并将报警信息实时显示在液晶显示屏，可以显示每一个工作阻力支架上面的具体的压力数据；2）启用井下的报警灯，并进行闪烁提示；3）进行语音报警提示，更好的提示井下的工作人员检测。井下支架工作阻力监测系统的硬件框图如图2所示。2.2 支架工作阻力监测系统的软件设计通过软件的支持完成整个支架工作阻力监测系统各种功能。井下支架工作阻力数据采集的软件主要采用c语言编写，井上支架工作阻力监测系统的

10、软件开发结合了网络技术、数据库技术，软件工程等采用c/s的客户机/服务器模式，以microsoft visual studio 2010为集成开发环境，利用c#和sql语言实现了数据存储、数据查询、索引等功能。软件系统设计主要包括以下功能：1） 实时采集各个液压支架的受力情况，将采集到的数据实时的存入数据库，方便用户的数据查询，数据处理。2） 工作人员根据不同的权限查询各个支架的压力数据，系统通过web的方式和井上站点进行数据交互。3） 显示功能：地面主机和井下主机可以以图文，表格，曲线等多种形式分别显示井下各个节点的压力数据。4） 报警功能：可在地面站点和井下站点进行实时的超限报警，液压支架

11、所承受的压力超过报警的临界值时，就会进行报警。5） 打印功能：地面主机可以打印各个液压支架压力以及历史数据等信息。根据实时情况进行定时打印。工作人员只需要调出相应的打印数据，就可以实时打印。操作更加简单方便。6） 当液压支架所承受的压力超过报警的临界值时，就会进行报警信息的实时打印，供工作人员查看。2.3 支架工作阻力監测系统的显示功能设计本系统用户界面的设计更好的增加用户的体验，更加直观简洁。为井下的管理人员提供了井下工作面的实时数据，便于全面、及时、准确指挥生产和科研，要求系统能实时获取井下监测的数据结果，并在地面利用计算机进行数据显示、数据分析、数据存储、图形动画显示和报表打印输出等处理

12、4。因此，上位机界面的设计简单大方，功能区之间划分清晰、简单易懂，能够更加直观地显示数据、查询数据、并且操作方便，利于工作人员的使用。本文所设计的液压工作阻力监测系统软件可实时查看压力信息、曲线显示压力数据、最初支撑力、最新的周期压力值、以及历史查询等功能，如图3所示。在液压支架压力监测系统的界面为用户提供了多种选项，主要分为两个菜单：“菜单1”和“菜单2”。用户可以查询“初始支撑力值”、“最新周期来压值”、“历史数据”、“历史报警”等多个选项，实现数据的实时查询管理。还可以对系统进行设定，主要包括对“服务器号”、“ip地址”和“报警临界值的设定”等内容。在界面中可以看到各个节点“前柱”和“后柱”上面压力的实时数据采集。另外，在界面的压力显示“状态列”会实时显示液压支架的工作状态，当液压支架所承受的压力未超过“报警的临界值”时，显示“工作正常”；相反，当液压支架所承受的压力超过“报警的临界值”时，则会显示“报警”。3 结束语本文针对当前煤矿中普遍使用的液压支架工作阻力状况和优缺点，基于wsn设计了一种对煤矿井下综采工作面液压支架工作阻力进行实时监测的系统，文章首先设计了系统的结构，然后从系统硬件和软件两个方面分别进行设计，并通过人性化的监控界面对监控结果进行显示，本系统具有成本低、功耗低、安全性高、数据可靠性强和实时性高等特