基于無線跳頻通訊的液壓支架工作狀態無線采集和監測系統的研究*

宋鑫，宋建成，田慕琴，陳惠英，李新勝

（太原理工大學煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，太原030024）

基于無線跳頻通訊的液壓支架工作狀態無線采集和監測系統的研究*

宋鑫，宋建成*，田慕琴，陳惠英，李新勝

（太原理工大學煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室，太原030024）

針對煤礦井下綜采工作面液壓支架機械狀態信息獲取困難，無法監測其工作狀態的問題，提出了一種基于無線跳頻通訊感知液壓支架工作狀態的方法，設計了無線感知傳感器，它利用電阻式應變片將壓力、應力等力學信號轉化為電信號，通過無線收發模塊進行數據交換。開發了基于C8051F020和nRF905射頻電路的無線收發模塊，模塊之間通過無線跳頻的方式通訊，在多個信道進行數據傳輸，可避免同頻信號對傳輸數據的干擾?；贗EEE 802.11相關協議，采用CSMA/CA、RTS/CTS/ DATA/ACK握手機制和CRC差錯校驗機制，可確保無線通信的可靠性?？紤]液壓支架的支護狀態和安全強度，提出了液壓支架安全程度分級方法，實現對液壓支架機械故障的預警，進而為液壓支架的壽命管理提供可靠的數據支撐。

液壓支架；無線跳頻通訊；安全分級；狀態監測

EEACC：6150；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.027

液壓支架作為煤礦井下綜采工作面的關鍵支護設備，由于其所處工況環境復雜，長時間在高強度載荷作用下，會出現結構件形變、磨損、斷裂等機械故障［1］，從而引發大面積的壓架事故，直接影響整個綜采工作面的生產效率和安全。目前，國內對于液壓支架的故障檢測主要是通過人員識別和非接觸式探傷儀探傷的方法［2-3］，效率低、可靠性和實時性差，無法獲取液壓支架工作狀態的實時變化過程。

為了能夠監測井下綜采工作面液壓支架的實時安全支護狀態，對液壓支架結構件的受力情況踐行全面感知非常重要。對于大型機械設備，目前已廣泛采用狀態檢測技術，并通過無線通訊方式來采集狀態數據，分析其運行狀態［4］。但對于液壓支架，因為工作面空間狹窄，工況環境惡劣，煤塵濃度高，若采用簡單的無線數據傳輸技術實現液壓支架遠程在線監測，傳輸可靠性難以得到保證。雖然國內有許多礦井采用了液壓支架電液控制系統系統，來實現對液壓支架的自動化作業，同時對液壓支架的立柱液壓腔壓力進行在線監測［5-6］。但監測數據不足以全面反映液壓支架的狀態數據，無法完成對液壓支架的安全支護狀態進行評估和預測。

本文就上述問題，在融合多種無線傳感器［7］的基礎上，提出了一種基于無線跳頻通訊感知液壓支架工作狀態的方法，最終通過上位機實現液壓支架工作狀態的評估，實現對液壓支架的安全預警。

1　液壓支架狀態的物理感知

1.1液壓支架工作狀態

以井下最常用的掩護式液壓支架［8］為例，如圖1所示。掩護式液壓支架主體是由底座、前后連桿、立柱、掩護梁和頂梁板等鋼結構件組成。而其在動態運動過程中受頂板、煤矸石和刮板機等不對稱作用力的影響，各主結構件尤其像銷軸連接耳、焊縫等處會因集中受力出現形變甚至斷裂的機械損傷，進而影響整體結構的機械強度。

圖1　掩護式液壓支架結構示意圖

經綜合分析，選取液壓支架主體結構件應力集中處作為監測點，如反映立柱下腔壓力的立柱初撐力和反映立柱安全閥壓力的支護強度，這兩個參數是液壓支架的重要技術指標，均可以反映液壓支架的工作狀態。

1.2工作狀態的無線感知

由于主結構件的應力檢測點較多，傳統的有線檢測方式會受到空間、環境和接口等諸多因素限制，因此本文對液壓支架工作狀態的感知采用無線通訊方式來實現。

主要無線感知元件包括檢測應力的無線應變傳感器，檢測立柱下腔壓力和安全閥壓力的無線壓力傳感器。上述兩種無線傳感元件的核心是由低功耗nRF905無線數傳芯片和混合信號系統級MCU芯片C8051f020構成的無線收發模塊。無線感知傳感器和數據接收節點的工作方式如圖2所示。

圖2　無線感知傳感器的工作示意圖

應力和壓力的檢測是通過電阻式應變片將力學信號轉換為電信號，經過放大和濾波電路構成的調理電路，將可識別的模擬量信號通過由nRF905和C8051f020構成的無線發射模塊，以無線跳頻的方式與接收模塊實現數據交換。

無線發射模塊i（i≤m）表示m個無線數據采集節點中的一個，該模塊位于液壓支架的各個檢測點處，均為鋰電池供電；而無線接收模塊j（j≤n）表示整個工作面n個數據接收節點的一個，每架液壓支架上設有一個。數據接收節點用于接收液壓支架上m個數據采集節點的應力和壓力數據，并存儲于外部RAM實現本地存儲。同時，數據中心會定時通過RS485總線巡檢整個工作面n個數據接收節點的數據，并通過以太網接口將所有數據上傳至地面數據監控中心，實現井下液壓支架機械狀態的上傳。

由于地面數據監控中心監測管理的數據直接來源于工作面數據接收節點，因此壓力和應力數據無線采集的可靠性至關重要，這需要穩定的通訊方式來保障。

2　無線跳頻通訊方式

井下工作面環境復雜，干擾較多，為了能夠有效降低干擾信號對無線通訊數據的干擾，需要設計傳輸性能可靠的無線通訊協議確保無線通訊的可靠傳輸。本文基于nRF905無線數傳芯片，以無線跳頻的通訊方式，通過合理的通訊協調機制和數據差錯校驗方式，實現無線感知節點（數據采集節點）和數據接收節點間數據的可靠傳輸。

2.1通訊網絡拓撲

安裝于液壓支架上的無線感知節點和數據接收節點采用星型網絡拓撲結構，實現點對多的無線通訊，如圖3所示。與網狀網絡拓撲、星-網混合型網絡拓撲相比，星型網絡拓撲結構簡單，功耗最低［9］。

圖3　星型網絡拓撲結構

2.2無線跳頻通訊的實現

無線跳頻通訊的核心是單片射頻芯片nRF905，它可工作于433/868/915 MHz的ISM頻段，最高工作速率50 kbit/s，通過SPI接口與微處理器通訊。它具有高效的GFSK調制能力，抗干擾能力強，內置硬件CRC檢錯和點對多通訊地址控制，特別適合工業控制場合。該芯片實際使用引腳如圖3所示。

圖4　nRF905引腳示意圖

它可工作于四種模式，如表1所示。具體工作模式是由芯片引腳CE、TxEN、PWR電平決定，而且各工作模式切換時間極短，不超過650 μs。

表1　nRF905的工作模式

其正常的工作模式為ShockBurst RX和Shock?Burst TX。最大發射功率10 dBm下的發送和接收模式的工作電流分別為9 mA和12.5 mA，而且節電模式下工作電流僅為2.5 μA。

2.2.1通訊協議

在無線通訊過程中傳輸的內容是應力、壓力和控制命令，它門按照一定的順序和格式排列后依次傳送。這里使用了控制命令幀和數據幀，其中控制命令幀包括RTS、CTS、ACK幀，數據幀為DATA幀，協議幀內容借鑒了IEEE802.11協議［10］。

①數據幀DATA

目的地址+源地址+66H+0/1+DATA+len

目的地址為數據接收節點的地址號，源地址為無線感知節點的地址號；66H為數據幀DATA標識號；0/1表示應力數據/壓力數據；DATA為有效數據值占兩個字節；len為有效數據長度。DATA幀共7個字節。

②請求發送幀RTS

目的地址+源地址+77H+len_data+CH_index

77H為控制命令幀標識號；len_data為DATA幀總的字節數；CH_index為跳頻通訊各頻道的索引號。RTS幀共5個字節。

③取消發送幀CTS

目的地址+源地址+77H+Time

Time為數據接收節點接收DATA幀所需時間，由nRF905通訊速率和DATA幀字節數估算得出。CTS幀共4個字節。

④數據確認幀ACK

目的地址+源地址+77H

ACK幀共3個字節。

2.2.2可靠傳輸策略

基于IEEE802.11協議中的RTS/CTS/DATA/ ACK模式，采用星型網絡拓撲結構，實現數據的可靠傳輸。

①CSMA/CA（載波偵聽多點接入/沖突避免）

當感知節點要與接收節點建立通訊連接，首先需要通過爭取到空閑總線，然后在相應信道進行數據傳輸。而當多個感知節點同時偵聽到空閑總線時會造成信道擁堵而引起通訊崩潰。本文采用CSMA/CA的方式，設置退避時間來避免沖突，即當信號發射端檢測到信道空閑時不能立即發送數據，而是要在一段退避時間后再發送數據，使多個感知節點按次序征用總線，以此來避免沖突。

nRF905內部硬件則提供了實現載波偵聽的功能，當感知節點的載波檢測引腳CD發現與設定接收頻率相同的載波時會被置高，最終根據軟件編程設置延時確定的退避時間實現總線信道的有效利用。

②RTS/CTS/DATA/ACK的握手機制

隱藏節點是無線網絡需考慮的關鍵問題，直接決定著無線網絡性能。如圖5所示，A和C同時向B傳輸數據，由于A在發送數據時無法檢測到C也在向B發數據，B節點接收到數據會發生錯誤。對于A來說，C就是隱藏節點，即由于距離限制而導致某節點無法檢測到介質競爭對手的存在［11-12］。

圖5　隱藏節點問題示意圖

RTS/CTS/DATA/ACK的握手機制即用來解決隱藏節點問題的。感知節點先向接收節點發送RTS請求與接收節點通訊，接收節點收到RTS后，向感知節點回發CTS幀。感知節點接收到CTS后表明連接建立完成，開始向接收節點發送DATA數據；如果感知節點沒有接到CTS，則重發RTS請求命令，直到連接成功，如果重發次數超出規定值，則轉跳通訊信道。當接收節點接收完數據后回發ACK數據確認幀，表明接收成功，完成一次數據傳輸。這樣通過握手確認的方式避免了節點之間的沖突，增強了數據交換的可靠性。

③CRC差錯校驗

在無線傳輸過程中，數據接收端會出現數據丟包或被干擾的情形，導致通訊差錯。CRC差錯校驗即可解決上述問題，它是一種數據傳輸檢錯功能，對數據進行多項式計算，并將得到的結果加在數據幀的后面，接收端也執行相同的算法，保證數據傳輸的正確性和完整性。

在nRF905內部也提供了CRC的硬件支持。當傳輸數據在接收端如果因CRC校驗出錯會被nRF905自動丟棄，使得發送節點無法獲得接收節點返回的數據確認ACK幀。出現這種情況后，采用數據重發機制進行差錯控制，即在通訊超時的間隔內沒有收到接收節點的ACK則重發。重發超過3次就放棄本次通訊，轉跳通訊頻率。

2.2.3低功耗設計思路

本文中無線感知節點的供電采用12 V/2 600 mAh可充電鋰電池，因此低功耗的設計是保證其長久續航的關鍵。

無線感知節點硬件電路在采用低功耗芯片的前提下，針對其主要功耗來源于空閑偵聽和控制信號消耗的特點，本文采用自適應性周期工作和睡眠機制，使空閑狀態的感知節點進入休眠狀態，以減少空閑偵聽。同時，感知節點的數據采集周期設置為3 s，其中工作時間為200 ms，其余為休眠時間，工作時間遠小于休眠時間。具體思路如下：

當感知節點向接收節點發送請求數據發送時，在RTS幀中設置了DATA幀的字節數，接收節點收到RTS后，估算出完成本次通訊所需時間Time，加到CTS幀中，非握手節點接收到CTS幀后，根據提取的Time時間進入休眠狀態，省去了不必要的信道偵聽功耗。這樣某信道被占用后，僅有一個感知節點處于工作狀態，信道利用率也隨之提高。感知節點在完成一次數據傳輸后，直接進入休眠狀態，直到下一個采樣周期才被喚醒。這樣通過控制節點偵聽空閑時間和工作模式，即可實現降低功耗和提高信道利用率。

2.2.4跳頻通訊

本文設置nRF905工作于433MHz頻段，采用5個信道進行通訊，分別為控制信道423 MHz（0）和數據信道427 MHz（1）、431 MHz（2）、435 MHz（3）、439 MHz（4）。其中控制信道用于控制命令RTS/ CTS/ACK的傳輸，而數據信道用于應力、壓力數據DATA的傳輸。當傳輸數據受到同頻信號干擾時則轉跳至其它信道進行通訊。本文數據幀初始工作信道為427 MHz，通訊信道頻率按1-3-2-4-1的規律跳轉，加大了轉跳頻率帶寬，降低了干擾概率。

跳頻通訊的載波頻率fop是由nRF905內部配置寄存器中的CH_index和HFREQ_PLL字節完成設置，由式（1）計算：

其中，當HFREQ_PLL=0時，nRF905工作于433 MHz頻段。而CH_index表示數據通訊信道數組的索引號，用于跳頻通訊，如1表示427 MHz，3表示435 MHz。

通常情況下，感知節點和數據接收節點都工作于控制信道423 MHz。當感知節點在控制信道上偵聽到信道空閑時，向接收節點發送RTS幀，該幀含有該感知節點的數據信道信息CH_index。接收節點收到RTS后提取CH_index，在向該感知節點發送CTS幀后，跳入對應數據信道，等待感知節點發送數據。感知節點在收到接收節點的CTS后，同樣跳入該信道并發送有效數據。當有效數據發送完成后，感知節點收到接收節點的ACK幀，則感知節點結束本次通訊；如果沒有收到ACK幀且沒有達到最大重發次數，感知節點就向接收節點繼續發送該有效數據；而如果連續重發次數達到規定次數，則更換通訊頻道，完成一次跳頻，等待下一次采樣周期，在另外一個信道進行數據傳輸。感知節點和數據接收節點跳頻通訊的工作流程圖分別如圖6和圖7所示。

圖7　數據接收節點通訊流程圖

3　機械狀態的監測管理

無線感知節點通過無線跳頻通訊的方式將各架液壓支架上的機械狀態數據存儲于各自數據接收節點的外部RAM中，位于端頭架的數據中心節點通過485總線定時巡檢工作面所有數據接收節點中機械狀態數據，匯集完后最終通過以太網接口上傳至地面監控中心，完成數據處理和分析，最終通過壓力和應力體現的液壓支架支護狀態和安全強度校核來實現對液壓支架安全和故障狀態的監測管理。其中，數據監測結構框圖如圖8所示。

圖8　數據監測結構框圖

3.1液壓支架支護狀態

液壓支架的支護狀態是通過支架的立柱初撐力和支護強度反應的，二者是液壓支架最重要的技術指標［13-14］。

液壓支架支護強度實質上反映了支架在工作中能承受頂板的載荷，由式（2）計算：

其中，支架工作阻力F1為液壓支架在恒阻承載階段的作用力，由式（3）計算：

其中，D為立柱缸體內徑（cm），N為立柱數量，Pa為立柱安全閥的壓力（MPa），α為立柱傾角。

不同類型的液壓支架在不同類型的頂板狀態下對應不同的支護強度標準，通過對支護強度的實時監測，可描述其在井下的支護狀態和頂板圍巖的工作環境狀態［15］。

支架初撐力是立柱下腔液體壓力達到泵站壓力時，支架對頂板所產生的初始支護力。額定初撐力計算如式（4）所示：

其中，Pb表示泵站額定壓力（MPa），實際計算應為支架立柱高壓腔的壓力。

結合采煤過程頂板來壓的運動規律和監控中心的立柱下腔壓力值，及時調節泵站供壓，進而調節支架立柱的初撐力，防止液壓支架在每個采煤循環過程中處于“低初撐力-高工作阻力”的惡性循環，避免支架受力不均衡造成壓架事故［16］。

在我國，根據綜采工作面礦壓觀測結果的統計分析，《煤礦支護手冊》、《采煤機械化成套設備參考手冊》等資料中有要求初撐力不小于額定工作阻力的80%。而不同頂板類型下的初撐力和額定工作阻力的關系如表2所示。

表2　不同頂板類型下的初撐力和額定工作阻力的關系

以穩定與堅硬頂板為例說明，ZY4000/17/37型掩護式液壓支架的工作阻力為4000 kN，立柱缸徑為200 mm。當泵站供液壓力為31.5 MPa時，可計算出其初撐力為1 978 kN，初撐力/額定工作阻力為49.4%。根據表2要求，此時液壓支架支護狀態處于崩潰邊緣，需提高泵站壓力以提高支架初撐力，使其達到標準范圍內。

3.2液壓支架安全強度校核

液壓支架的主體結構為鋼材，而鋼材的力學特征可通過應力應變（σ-ε）關系反應［17］，如圖9所示。

圖9　拉伸測試試驗下σ-ε關系曲線

當結構件實際所受應力超過屈服強度σs，即屈服階段中應力最大點處將會產生不可恢復的永久變形，內部結構會發生重構，會影響其承載能力；而當實際受力超出抗拉極限σb時，鋼材會完全喪失對形變的抵抗能力而出現斷裂。

而在液壓支架設計過程中，各結構件往往需要進行強度校核，而強度校核是以屈服強度σs來計算安全系數N的，因此本文根據相應結構件的許用安全系數來反映液壓支架的安全信息［14］。強度條件如式（5）所示：

其中，N表示安全系數，［n］表示各個結構部件的許用安全系數。表3是相關結構件的許用安全系數。

表3　許用安全系數表

安全系數主要取決于人們對客觀規律的理解程度和設備發生事故的危害程度，它的作用主要是為使用設備預留一定余量，以彌補理論漏洞和制造無法檢測的缺陷［18］。本文根據不同的許用安全系數的百分比范圍來對液壓支架各結構件的安全狀態進行分級，以此來評判其安全狀態，如表4所示。

若液壓支架的主結構件采用15CrMo普通低合金鋼結構，其屈服強度為459 MPa。以頂梁為例，若無線應變傳感器檢測到目標位置所受應力為400 MPa，計算出［n］=1.15，大于其許用安全系數1.1，安全等級為安全；若其所受應力為550 MPa，［n］= 0.83，則安全等級為極度危險狀態，須立即處理。

表4　安全分級

4　結論

本文針對當前井下液壓支架工作狀態在線監測困難的問題，對液壓支架工作狀態的監測和管理進行了深入研究，得出以下結論：

①提出了利用液壓支架支護狀態和安全強度校核來對液壓支架的機械狀態進行安全分級，完成液壓支架機械狀態的監測管理和安全狀態的評估分析。

②提出了一種基于無線跳頻通訊的方法，通過CSMA/CA、RTS/CTS/DATA/ACK握手機制和差錯校驗機制，確保了無線通訊的可靠傳輸，提高了系統抗干擾能力。

③通過在傳輸協議幀中設置預估通訊時間，結合無線感知設備的工作模式合理切換，有效減少了無線通訊過程中空閑偵聽能量損失，確保了感知節點低功耗運行。

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宋鑫（1992-），男，碩士研究生，現主要研究煤礦電氣設備和智能控制技術，372851351@qq.com；

宋建成（1957-），男，教授，博士生導師，太原理工大學電氣與動力工程學院院長，長期致力于電氣工程學科礦用智能電器、電力設備壽命評估、電力系統繼電保護、煤礦安全監測監控等領域的科學研究，sjc6018@163.com。

Research on Condition Collecting and Monitoring System of Mining Hydraulic Support Based on Frequency Hopping Wireless Communication*

SONG Xin，SONG Jiancheng*，TIAN Muqin，CHEN Huiying，LI Xinsheng
（Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Aiming at solving the problem of accessing mine hydraulic support mechanical states，a novel method of sensing hydraulic support mechanical states based on frequency hopping wireless communication has been pro?posed，and a new kind of wireless sensing device has been designed.Wireless sensors adopted resistance strain gauges to change mechanical signal to electric signal，so as it can be identified by MCU.The wireless transceiver communication models based on C8051F020 and nRF905 were developed，so that data can be transferred through several channels to avoid the same frequency signal interference.Besides，based on the protocol of IEEE802.11，CS?MA/CA，three-handshake scheduling and the CRC error checking mechanism were adopted to ensure reliability of the wireless communication.According to the hydraulic support states and security strength，the author put forward a safety level method for its mechanical states，which can give prior warning for hydraulic support accidents and pro?vide reliable data to the life management of the hydraulic supports.

hydraulic support；frequency hopping wireless communication；security classification；state monitoring

TD65+5.3；TD67；TP212.9

A

1004-1699（2016）09-1457-07

項目來源：國際科技合作與交流專項項目（0S2013ZR0493）；山西省科技重大專項項目（20131101029）

2016-03-05修改日期：2016-04-03