無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦山微震定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

薛強1,葉明2,范君菲3

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院, 河北 石家莊050043; 2.河北省科學(xué)技術(shù)館, 河北 石家莊050000;

3.北京鐵路局 石家莊職工培訓(xùn)基地, 河北 石家莊050000)

摘要：針對傳統(tǒng)礦山定位監(jiān)測系統(tǒng)中有線方式成本高、資源浪費、可操作性差等問題，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于礦山微震定位。通訊系統(tǒng)采用由末端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和中心節(jié)點構(gòu)成的星形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用時鐘同步技術(shù)，末端節(jié)點將礦震信號通過射頻模塊上傳給中心節(jié)點，進而通過上位機完成對數(shù)據(jù)的進一步處理。該系統(tǒng)為無線通信在礦山越界開采監(jiān)測中的應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字信號處理；無線通信；時鐘同步

中圖分類號：TN98文獻標(biāo)志碼： A

收稿日期：2014-01-15責(zé)任編輯:劉憲福DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2015.02.20

作者簡介：薛強(1977-),男, 講師，研究方向為數(shù)字信號處理與模式識別,電能質(zhì)量測量。E-mail: xueq77@163.com

基金項目：河北省國土資源廳項目(200903)

薛強，葉明，范君菲. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦山微震定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,28(2):102-105.

0引言

越界開采行為是當(dāng)前我國礦產(chǎn)資源開采中普遍存在的“頑疾”。執(zhí)法部門應(yīng)加大對越界開采違法行為的打擊力度，維護礦產(chǎn)資源開采秩序，并依法處罰違法主體。在采用炮采開礦的礦山中，利用礦山開采時所產(chǎn)生的微震信號對震源進行定位，是執(zhí)法部門獲取越界開采證據(jù)的重要手段。但是，目前很多研究中大型礦山的監(jiān)測定位系統(tǒng)采用有線傳感器方式采集礦山震動信號[1-2]，這種有線方式降低了監(jiān)測的實效性和可操作性，同時又加大了人力和財力的投入。

針對傳統(tǒng)礦山礦震事件監(jiān)測的特點，以無線通訊為核心技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了適合于野外無人值守的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將之應(yīng)用于礦山越界開采監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和中心站組成，傳感器節(jié)點利用太陽能實現(xiàn)不間斷供電，采集震動信號波形及震動波頭到時參數(shù)，通過無線射頻模塊上傳至中心站，位于中心站的上位機將結(jié)合接收到的各通道波形以及時間參數(shù)通過已有的定位算法計算得到礦山開采爆破震源的準(zhǔn)確位置。該系統(tǒng)主要針對礦山越界開采監(jiān)測而設(shè)計，并已將之成功應(yīng)用于礦山越界開采在線監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中；另外，系統(tǒng)所采用的太陽能供電方案以及無線通訊數(shù)據(jù)傳輸方式亦可應(yīng)用于其它無人值守野外監(jiān)測領(lǐng)域中。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)，硬件結(jié)構(gòu)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和中心節(jié)點兩部分構(gòu)成。無線傳感器節(jié)點主要為Cygnal公司的C8051F020單片機和以nRF905芯片為核心部件的射頻模塊RFC-30H。C8051F020單片機采用低功耗設(shè)計，25MIPS高速流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌8通道的12位可編程增益放大器ADC，64K系統(tǒng)可編程FLASH存儲器，4 352Byte片內(nèi)RAM。nRF905射頻模塊RFC-30H工作于433MHz開放的ISM頻段，工作電壓為1.9~3.6V。系統(tǒng)中各節(jié)點采用太陽能電池供電，外部擴展了多路ADC輸入口、前置信號調(diào)理模塊、電源管理模塊、時鐘模塊；中心站則包括了GPS授時模塊、異步串行接口以及震源定位上位機系統(tǒng)等。

圖1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖

2同步管理機制

絕大多數(shù)的震源定位算法是根據(jù)精確提取的震動波到時來計算的，震動波到時時間標(biāo)識是記錄震動事件的關(guān)鍵參數(shù)，時間精度直接影響震源定位精度，如何保證多路信號的同步則是系統(tǒng)的必須考慮的問題之一。與此同時，由于每個節(jié)點都是完整獨立的小系統(tǒng)，采用了相互獨立的數(shù)字時鐘來產(chǎn)生采樣控制信號，而產(chǎn)生時鐘頻率的晶體易受外界環(huán)境溫度、激勵電平及晶體老化等多種不穩(wěn)定因素的影響，使得晶體本身的時鐘脈沖存在著不可避免的誤差，從而造成不同節(jié)點同步測量數(shù)據(jù)的不同步。針對以上兩點，本文提出將GPS結(jié)合無線電方式實現(xiàn)系統(tǒng)同步的管理機制[3]。

(1)中心站GPS授時系統(tǒng)。中心站的授時系統(tǒng)使用了兩種類型的GPS時鐘信號輸出，分別是RS-232輸出和1pps電平信號輸出。一是RS-232輸出，提取的時間信息與協(xié)調(diào)世界時UTC(國際標(biāo)準(zhǔn)時間)的同步誤差不超過1ms；二是1pps電平信號，秒脈沖的上升沿對應(yīng)輸出的UTC時間，如圖2所示。將UTC和1pps相結(jié)合能夠得到準(zhǔn)確的時間信息，且設(shè)計簡單、實用。

GR87OEM板的串口1是異步串行數(shù)據(jù)輸出，串口配置電平為RS-232電平，為了匹配C8051F020單片機I/O口的TTL電平，需要先經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換后再進行通信，如圖3所示。

秒脈沖電平信號直接連接C8051F的I/O口，通過1pps的上升沿觸發(fā)單片機提取$GPRMC語句，得到精準(zhǔn)的UTC時間，實現(xiàn)中心站的GPS精確授時。

(2)采集終端的時鐘校準(zhǔn)。各個終端節(jié)點裝有本地實時時鐘PCF8583定期的接收中心站發(fā)送過來的UTC時間信息，校準(zhǔn)終端節(jié)點的實時時鐘與接收到UTC時刻一致，最終實現(xiàn)以中心站的GPS時間為基準(zhǔn)的全網(wǎng)時鐘同步。

圖2　1 pps與UTC時間關(guān)系圖　　　　　　　　　　圖3　GPS與C8051F連接示意圖

3無線通信設(shè)計

在無線數(shù)據(jù)傳輸中，對數(shù)據(jù)必須進行規(guī)定格式的編碼才能有效的降低傳輸過程中的誤碼率。RFC-30H模塊數(shù)據(jù)傳輸格式為依次由前導(dǎo)碼、目標(biāo)地址碼、數(shù)據(jù)碼、CRC校驗碼構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)碼長度可以自行設(shè)置，最大設(shè)置為32 字節(jié)。在最長32 個字節(jié)數(shù)據(jù)中，為了完成系統(tǒng)的多項功能，將第一個字節(jié)設(shè)置為命令碼，用于區(qū)分不同的功能命令，第二個字節(jié)為發(fā)送方地址碼，在這里主站地址碼設(shè)置為0，從站地址碼設(shè)置為從1開始，依次加1，第三個字節(jié)開始依次為有效數(shù)據(jù)。

圖4　nRF905數(shù)據(jù)發(fā)送接收流程圖

數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖4(a)所示，nRF905通過ShockBurstTX模式發(fā)送數(shù)據(jù)，這時發(fā)送數(shù)據(jù)前禁止外部中斷。發(fā)送數(shù)據(jù)流程為：首先將TRX_CE引腳置低，進入待機模式后，低速寫入接收節(jié)點地址和待發(fā)送數(shù)據(jù)；然后再將TRX_CE引腳置高、TX_EN引腳置低，使其進入發(fā)送模式，待整個數(shù)據(jù)包高速發(fā)送出去后，DR引腳自動置位。nRF905采用ShockBurstRX模式進行數(shù)據(jù)接受，此時，使能外部中斷，設(shè)置P3.7引腳工作在中斷方式。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖4(b)所示。接收數(shù)據(jù)流程為：首先配置本機地址，然后將TRX_CE和TX_EN引腳都置高，nRF905進入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)的到來[4]。當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包后，DR腳自動置位，觸發(fā)P3.7口的上升沿中斷，并通知MCU讀取數(shù)據(jù)；讀取數(shù)據(jù)完畢后，nRF905將DR引腳置低。

基于本系統(tǒng)的分布式特點，在多個節(jié)點和一個中心站進行無線通信時，多個節(jié)點有可能在某一時刻同時和中心站主機建立通信連接，如果沒有合適的協(xié)調(diào)機制，會導(dǎo)致通信沖突，信道阻塞，丟失傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸時，通過采用基于競爭方式的MAC協(xié)議[5]，不僅提高了信道資源的利用率，又增加了通信的可靠性。工作流程如下所述：

(1)子站有數(shù)據(jù)送出前，先偵聽信道狀態(tài)，通過競爭的方式獲得信道的使用權(quán)，然后再發(fā)送請求傳送報文RTS(RequesttoSend)給目標(biāo)端，請求與目標(biāo)段的通信連接。

(2)目標(biāo)段接收到子站的RTS后，向該子站回應(yīng)CTS(CleartoSend)報文。

(3)接收到目標(biāo)端CTS命令幀的子站，可以認(rèn)為與目標(biāo)端已經(jīng)建立通信連接，開始向其發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)；若子站沒有收到目標(biāo)端的CTS命令，則認(rèn)為發(fā)生沖突，重新發(fā)送RTS請求。

(4)目標(biāo)端收到子站傳送的數(shù)據(jù)并確認(rèn)數(shù)據(jù)正確后，向改子站發(fā)送ACK確認(rèn)幀，子站收到ACK后則完成與目標(biāo)端的數(shù)據(jù)通信。

利用RTS-CTS握手(handshake)程序來確保各個子站傳送數(shù)據(jù)時不會相互沖突， 同時由于RTS-CTS封包都很小，讓傳送的無效開銷也變小。

為了減小能量的消耗，系統(tǒng)采用“偵聽/睡眠”交替的無線信道使用方法。當(dāng)閾值觸發(fā)有數(shù)據(jù)收發(fā)時，傳感器節(jié)點開啟nRF905無線通信模塊進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和偵聽；在沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)時，節(jié)點則控制nRF905無線通信模塊進入睡眠狀態(tài)，以減小空閑偵聽所造成的能量消耗。

4應(yīng)用結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

上位機由PC構(gòu)成，運行礦山微震定位系統(tǒng)應(yīng)用程序，通過232串口與中心節(jié)點連接。由中心節(jié)點無線射頻模塊接收各傳感器節(jié)點的微震信號，用于定位系統(tǒng)進行震源定位，以輔助監(jiān)管部門的執(zhí)法職能。上位機應(yīng)用程序以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，利用結(jié)合了幾何定位算法和Geiger算法的聯(lián)合定位法實現(xiàn)了震源定位[6]，由于篇幅所限，這里不再詳細介紹震源定位系統(tǒng)，只將無線采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用于該定位系統(tǒng)，用以檢測無線采集系統(tǒng)的可用性。圖5是中心站PC運行的震源定位系統(tǒng)軟件界面，其信號為本文無線傳感器節(jié)點采集到的波形，界面中給出了信號波形、傳感器坐標(biāo)、和利用震源定位算法得到的定位結(jié)果。

實驗中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采樣頻率設(shè)置為5kHz，每幀采樣長度為512個點。無線傳感器節(jié)點采用扇形布設(shè)在放炮點附近，地表水平布設(shè)如圖6所示，其中點1~6為檢波器布設(shè)點，其地表水平面坐標(biāo)依次為(0，0)、(0，15)、(0，40)、(-14，0)、(-31，0)、(-7，7.5)，單位：m。

試驗中實際放炮點的水平坐標(biāo)位置如圖6中點Ⅰ、點Ⅱ和點Ⅲ所示，位于傳感器網(wǎng)絡(luò)附近，圖5中顯示數(shù)據(jù)為針對于炮點Ⅰ的計算結(jié)果，其計算坐標(biāo)為(-9.15，-5.57)，與實際炮點坐標(biāo)(-8.5，-5)距離為0.86m。通過實驗結(jié)果可以看出，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的震動數(shù)據(jù)進行震源定位計算，其定位精度在1m以內(nèi)，能夠滿足越界開采定位系統(tǒng)項目要求。

圖5　定位結(jié)果　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　檢波器排布規(guī)則

5結(jié)論

針對傳統(tǒng)的有線式微震監(jiān)測系統(tǒng)的不足，本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于礦山越界開采監(jiān)測系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，采用這種方式所得到的震源位置，其精度能夠滿足現(xiàn)場要求。該方式提高了監(jiān)測的實效性和可操作性，降低了人力和財力的投入，尤其適用于無人值守野外監(jiān)測；同時本文所涉及到的數(shù)據(jù)實時傳輸及在線分析、GPS時鐘校時、太陽能不間斷供電等措施亦適用于無人值守的監(jiān)測方案，為多個礦區(qū)實時在線監(jiān)測提供了現(xiàn)場基礎(chǔ)，也為類似越界開采等野外作業(yè)的監(jiān)測提供了有效手段。

參考文獻

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ApplicationofWirelessSensorNetworksinMineMicro-vibrationLocationSystem

XueQiang1,Ye Ming2,Fan Junfei3

(1.SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China;

2.HebeiScienceandTechnologyMuseum,Shijiazhuang050000,China;

3.ShijiazhuangTrainingBase,BeijingRailwayBureau,Shijiazhuang050000,China)

Abstract:In view of the high cost, resources waste and poor maneuverability in cable methods in mine monitoring system, by application of wireless sensor networks, a system of mine micro-vibration location is built in this paper. The star wireless sensor network is made up of the end network nodes and the center network node. In order to achieve the purpose of synchronization acquisition, clock synchronization technology was adopted. The signal was transmitted to the center node through the RF module and was processed by the PC. This system is an application research on radio communication in Cross-border mining monitoring.

Keywords:wirelesssensornetwork;digitalsignalprocessing;radiocommunication;clocksynchronization