基于WSN的工作面液压支架监测系统的研究

　　矿井液压支架监测方式通常有两种：一是井下人工读取数据后带到地面计算机进行数据分析处理；二是通过RS485总线或者现场总线进行远距离在线监测与数据采集传输到地面计算机显示和分析。第二种方式系统布线复杂，随着开采工作面的推进以及升降架等操作，有线网络极易被扯断，导致现场采集的压力数据无法上传到地面计算机，系统处于半瘫痪状态，使煤矿的安全留下了严重的隐患。针对目前国内在液压支架监测方面存在的问题，本文设计了一种基于无线传感器网络（WSN）的工作面液压支架在线监测系统。

　　1 压力传感器网络结构

　　本文设计的压力监测传感器网络结构如图1所示，包括传感器节点和汇聚节点。压力传感器节点完成压力数据采集和多跳中继传输；簇头完成成员节点数据的收集、数据融合和转发的功能。Sink节点完成压力数据的汇集和无线与有线信号的转换，实现CAN总线接入，上传到地面计算机实时监控。由于综采面液压支架推进相当缓慢，无线传感器网络的拓扑结构近似认为是直线型；同时每一个液压支架都已经编号，可以认为位置已知。

　　1.1 压力传感器节点硬件设计

　　CC2420芯片是天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2 MHZ,此混合I/O信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4 GHZ，并经放大后送到天线发射出去

　　如图2所示，第一级网络主要由无线传感器网络构成，采用业界极具竞争优势的ATmega128L单片机，加上无线RF单元CC2420、信号调理模块AD620、压力传感器SLM211、液晶显示1602，采用5V/4 800mAh可充电锂电池供电。

　　1.1.1 微控制器模块选型

　　微控制器模块是无线传感器节点的计算核心，它负责节点设备控制、任务调度、通信协议、同步定位、数据融合和数据转储等程序的运行。微处理器选型主要从两方向考虑：（1）能够片上集成AD，具有较高的处理速度，低功耗，外围资源丰富等特点。（2）ＺigBee协议对系统微处理器的要求有：至少是8 bit MCU；完全的协议栈：ROM<32 KB；简单功能节点协议栈：ROM 约6 KB；协调器还需要足够的RAM。用于保存节点器件数据库、传输路由表等。根据以上要求，本系统选用了ATmega128L微控制器，它是目前AVR系列中功能最强大的8 bit微控制器。它具有片内128 KB的程序存储器，4 KB的数据存储器，在不外扩存储的情况下，能够满足对ZigBee协议栈的支持，芯片价值不足5美元，使其在性价比方面更具诱惑力。