0 引言

    青海礦產資源豐富，隨著工業現代化、智能化的發展，越來越多的礦產開發設備被投入和使用。但礦產開發過程中，設備長時間處于運行狀態，易受生產周邊環境、鹽鹵水位等多種因素的干擾而造成設備的突發故障，并直接影響到礦產生產，造成較大的經濟和人力損耗，因此有必要對礦產設備的運行狀態進行實時監測與管理。然而青海地域遼闊，礦產開發設備分布稀疏，傳統的有線監測手段無法適用于此種極端環境。同時，由于設備所處環境苛刻，人工巡檢實施困難很大，無法起到及時排除故障的作用。

    無線傳感器網絡（WSN）具備體積小、低功耗、組網靈活、布置方便等特點，在軍事、智能家居、樓宇監控、農業監測等方面得到了廣泛的應用^[1-3]，在機器設備狀態監測方面，無線傳感器網絡也彌補了原有監測方法的不足。文獻[4]中，Gao等基于無線傳感器網絡設計了一種對印刷機器運行狀態進行監測的節點，能監控印刷機多種運行參數；文獻[5]中，Nasipuri等應用無線傳感器網絡對變電站中的變壓器進行了基于振動信號的監測；文獻[6]中，蔡巍巍等設計了一種可實現機械振動信號采集和片上處理的無線傳感器網絡節點，能有效采集和監測機械振動信號。

    針對礦產生產的實際需求，本文設計并開發了一套基于無線傳感器網絡的礦產開發設備狀態監測系統。系統主要由傳感器采集模塊、無線通信模塊和監測管理模塊組成，旨在對青海的礦產開發設備工作狀態進行實時的監測和歷史追溯管理，確保礦產設備的正常運行，提高企業生產設備管理水平及其礦產生產效率。

1 系統整體架構

    系統整體架構如圖1所示。監測系統主要由3個模塊組成：由傳感器和ZigBee節點組成的數據采集模塊，由協調器和GPRS模塊組成的無線通信模塊，由SQL Server數據庫和Web網頁組成的監測中心模塊。

    數據采集模塊采集設備的實時工作電流和電壓，并將數據發送至協調器節點；無線通信模塊主要負責將無線傳感器的短距離通信通過遠程通信，發送數據至監測中心模塊的數據庫中，最終在網頁上顯示和管理。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器節點硬件設計

    礦產開發設備工作電流的變化，可以有效地反映出其當前運行狀態監測。為了選取合適的電流傳感器，對青海礦產開發中通用設備相關工作參數進行了實地調研，結果如表1所示。

    根據實際生產設備監測需求，選擇了測量范圍在0～50 A的霍爾電流傳感器A-CS050EK1進行實驗，A-CS050EK1系列傳感器是基于閉環磁平衡原理的一款霍爾電流傳感器，其輸出電壓值能夠真實有效地反映設備的工作狀態。

    同時系統選用了CC2530ZDK開發平臺的CC2530EM模塊，以實現傳感器采集數據的傳輸，通過分壓電路與A-CS050EK1霍爾電流傳感器共同組成傳感器節點。傳感器模塊的硬件原理框圖如圖2所示。

2.2 WSN/GPRS網關節點硬件設計

    網關節點是整個系統由短距離無線傳感器網絡通信轉為遠程GPRS通信的關鍵，由無線傳感器網絡協調器節點和GPRS DTU構成。協調器節點通過UART串口與GPRS模塊相連接，將采集到的數據發送至GSM網絡，硬件設計如圖3所示。

    系統選擇Commay WG-8010 GPRS DTU作為系統的GPRS模塊，它提供了標準的RS232/485/422數據接口，可以方便地與ZigBee協調器連接，只需要安裝可以上網的SIM卡，即可使ZigBee網絡通過GPRS無線網絡與Internet網絡建立連接。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點軟件設計

3.1.1 數據采集功能

    傳感器節點主要負責對電流傳感器采集到的數據進行采樣，并進行數據簡單處理。獲得電壓計算公式為：電壓值=ADC/分辨率×參考電壓。其數據采集流程如圖4所示。

3.1.2 數據傳輸功能

    數據處理后，傳感器節點通過ZigBee無線傳感器網絡將最終采集結果和本身網絡拓撲信息發送到協調器節點。傳感器節點工作流程如圖5所示。

3.2 匯聚終端軟件設計

    匯聚終端由ZigBee協調器和GPRS模塊組成。其中，協調器負責匯總來自傳感器節點的數據，GPRS DTU則將由串口接收到的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送至SQL Server數據庫，而不需要去改變原有的數據信息內容，這也保證了數據傳輸的準確性。數據收發流程圖如圖6所示。

3.3 監測中心軟件設計

    監測中心軟件使用C#結合SQL Server開發，通過Winsock實現與無線通信模塊的通信，將存儲于GPRS DTU中的數據發送至SQL Server數據庫中，并通過Web網頁進行實時監測和管理，主要包括實時監測、歷史數據管理、設備管理和用戶管理等模塊。其中實時監測數據模塊以動態曲線圖和表格方式顯示監測數據的動態變化，并對當前礦產設備的異常運行狀態以標紅形式進行預警；歷史數據管理模塊，可對歷史監測數據進行查詢、統計和圖表顯示；設備管理模塊可對礦產設備的基本靜態信息進行新增、查詢和刪除等操作；用戶管理模塊則根據不同登錄人員進行不同的權限分配。軟件整體結構圖如圖7所示。軟件界面簡潔直觀，易于操作和理解，具有很強的人機互動性。

4 系統測試和驗證

4.1 測試環境

    系統于2014年4月在青海中信國安有限公司鹽田進行安裝和測試，對五臺礦產開發設備——混流式水泵進行實時監測。采礦現場布置了5個傳感器節點，控制室布置了1個網關節點。通過測試網絡丟包率驗證系統數據傳輸的可靠性，通過測試WSN系統通信覆蓋范圍驗證系統的實地應用可行性。

4.2 網絡丟包率測試

    系統設定傳感器節點每1min進行一次數據采集和發送，傳感器節點不執行數據采集發送功能時為休眠狀態，測試時間為10天。測試結果如表2所示。

    經測試，系統平均丟包率為0.19%，結果表明，系統運行良好，可以穩定可靠地對設備運行狀態進行實時監測。

4.3 WSN系統通信覆蓋范圍測試

    以青海中信國安某一標準鹽田為例，五個采礦現場距離控制室平均距離在32 m，最遠距離36 m。為保證WSN系統能夠穩定地組網并進行可靠的數據傳輸，本文對無線傳感器網絡系統進行了不同距離、不同發射功率情況下的點對點的RSSI值(Received Signal Strength Indication接收信號強度)和丟包率測試。測試結果如圖8和圖9所示。

    根據以上結果可以看出，隨著距離的增加和發射功率的降低，系統丟包率呈現上升趨勢，RSSI值逐漸降低。實際安裝中，將節點之間的相對距離控制在30 m以內。由以上數據可知，在30 m通信范圍內，節點發射功率大于1 dB時，節點丟包率小于3.6，具有較高的通信可靠性。本系統節點發射功率設置為1 dB，其通信覆蓋范圍具有應用可行性。

5 結論

    本文設計并實現了基于無線傳感器網絡的礦產開發設備狀態監測系統，實現對礦產設備運行狀態的遠程實時監測與管理，同時在青海礦產地區進行了系統的實地安裝及測試。系統網絡平均丟包率為0.19，表明具有較高的數據傳輸可靠性和穩定性，能夠滿足礦產開發設備運行狀態的監測需求。系統通信覆蓋范圍測試表明，系統能夠滿足實地安裝的通信覆蓋范圍，具有較好的應用可行性。

參考文獻

[1] SOMOV A，BARANOV A，SAVKIN A，et al.Development of wireless sensor network for combustible gas monitoring[J].Sensors and Actuators a-Physical，2011，171：398-405.

[2] 余娟.無線傳感網絡及其在機械設備振動監測中的運用研究[J].科技信息，2009(35)：40-41，182.

[3] 齊林，韓玉冰，張小栓，等.基于WSN的水產品冷鏈物流實時監測系統[J].農業機械學報，2012，43(8)：134-140.

[4] GAO R X，FAN Z.Architectural design of a sensory node controller for optimized energy utilization in sensor networks[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2006，55(2)：415-428.

[5] NASIPURI A，ALASTI H，PUTHRAN P，et al.Vibration sensing for equipment's health monitoring in power substations using wireless sensors[C].In IEEE SoutheastCon 2010 (SoutheastCon)，Proceedings of the IEEE，2010.

[6] 蔡巍巍，湯寶平，黃慶卿．面向機械振動信號采集的無線傳感器網絡節點設計[J]．振動與沖擊，2013，32(1)：73-77．