0 引言

    青海矿产资源丰富，随着工业现代化、智能化的发展，越来越多的矿产开发设备被投入和使用。但矿产开发过程中，设备长时间处于运行状态，易受生产周边环境、盐卤水位等多种因素的干扰而造成设备的突发故障，并直接影响到矿产生产，造成较大的经济和人力损耗，因此有必要对矿产设备的运行状态进行实时监测与管理。然而青海地域辽阔，矿产开发设备分布稀疏，传统的有线监测手段无法适用于此种极端环境。同时，由于设备所处环境苛刻，人工巡检实施困难很大，无法起到及时排除故障的作用。

    无线传感器网络（WSN）具备体积小、低功耗、组网灵活、布置方便等特点，在军事、智能家居、楼宇监控、农业监测等方面得到了广泛的应用^[1-3]，在机器设备状态监测方面，无线传感器网络也弥补了原有监测方法的不足。文献[4]中，Gao等基于无线传感器网络设计了一种对印刷机器运行状态进行监测的节点，能监控印刷机多种运行参数；文献[5]中，Nasipuri等应用无线传感器网络对变电站中的变压器进行了基于振动信号的监测；文献[6]中，蔡巍巍等设计了一种可实现机械振动信号采集和片上处理的无线传感器网络节点，能有效采集和监测机械振动信号。

    针对矿产生产的实际需求，本文设计并开发了一套基于无线传感器网络的矿产开发设备状态监测系统。系统主要由传感器采集模块、无线通信模块和监测管理模块组成，旨在对青海的矿产开发设备工作状态进行实时的监测和历史追溯管理，确保矿产设备的正常运行，提高企业生产设备管理水平及其矿产生产效率。

1 系统整体架构

    系统整体架构如图1所示。监测系统主要由3个模块组成：由传感器和ZigBee节点组成的数据采集模块，由协调器和GPRS模块组成的无线通信模块，由SQL Server数据库和Web网页组成的监测中心模块。

    数据采集模块采集设备的实时工作电流和电压，并将数据发送至协调器节点；无线通信模块主要负责将无线传感器的短距离通信通过远程通信，发送数据至监测中心模块的数据库中，最终在网页上显示和管理。

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点硬件设计

    矿产开发设备工作电流的变化，可以有效地反映出其当前运行状态监测。为了选取合适的电流传感器，对青海矿产开发中通用设备相关工作参数进行了实地调研，结果如表1所示。

    根据实际生产设备监测需求，选择了测量范围在0～50 A的霍尔电流传感器A-CS050EK1进行实验，A-CS050EK1系列传感器是基于闭环磁平衡原理的一款霍尔电流传感器，其输出电压值能够真实有效地反映设备的工作状态。

    同时系统选用了CC2530ZDK开发平台的CC2530EM模块，以实现传感器采集数据的传输，通过分压电路与A-CS050EK1霍尔电流传感器共同组成传感器节点。传感器模块的硬件原理框图如图2所示。

2.2 WSN/GPRS网关节点硬件设计

    网关节点是整个系统由短距离无线传感器网络通信转为远程GPRS通信的关键，由无线传感器网络协调器节点和GPRS DTU构成。协调器节点通过UART串口与GPRS模块相连接，将采集到的数据发送至GSM网络，硬件设计如图3所示。

    系统选择Commay WG-8010 GPRS DTU作为系统的GPRS模块，它提供了标准的RS232/485/422数据接口，可以方便地与ZigBee协调器连接，只需要安装可以上网的SIM卡，即可使ZigBee网络通过GPRS无线网络与Internet网络建立连接。

3 系统软件设计

3.1 传感器节点软件设计

3.1.1 数据采集功能

    传感器节点主要负责对电流传感器采集到的数据进行采样，并进行数据简单处理。获得电压计算公式为：电压值=ADC/分辨率×参考电压。其数据采集流程如图4所示。

3.1.2 数据传输功能

    数据处理后，传感器节点通过ZigBee无线传感器网络将最终采集结果和本身网络拓扑信息发送到协调器节点。传感器节点工作流程如图5所示。

3.2 汇聚终端软件设计

    汇聚终端由ZigBee协调器和GPRS模块组成。其中，协调器负责汇总来自传感器节点的数据，GPRS DTU则将由串口接收到的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送至SQL Server数据库，而不需要去改变原有的数据信息内容，这也保证了数据传输的准确性。数据收发流程图如图6所示。

3.3 监测中心软件设计

    监测中心软件使用C#结合SQL Server开发，通过Winsock实现与无线通信模块的通信，将存储于GPRS DTU中的数据发送至SQL Server数据库中，并通过Web网页进行实时监测和管理，主要包括实时监测、历史数据管理、设备管理和用户管理等模块。其中实时监测数据模块以动态曲线图和表格方式显示监测数据的动态变化，并对当前矿产设备的异常运行状态以标红形式进行预警；历史数据管理模块，可对历史监测数据进行查询、统计和图表显示；设备管理模块可对矿产设备的基本静态信息进行新增、查询和删除等操作；用户管理模块则根据不同登录人员进行不同的权限分配。软件整体结构图如图7所示。软件界面简洁直观，易于操作和理解，具有很强的人机互动性。

4 系统测试和验证

4.1 测试环境

    系统于2014年4月在青海中信国安有限公司盐田进行安装和测试，对五台矿产开发设备——混流式水泵进行实时监测。采矿现场布置了5个传感器节点，控制室布置了1个网关节点。通过测试网络丢包率验证系统数据传输的可靠性，通过测试WSN系统通信覆盖范围验证系统的实地应用可行性。

4.2 网络丢包率测试

    系统设定传感器节点每1min进行一次数据采集和发送，传感器节点不执行数据采集发送功能时为休眠状态，测试时间为10天。测试结果如表2所示。

    经测试，系统平均丢包率为0.19%，结果表明，系统运行良好，可以稳定可靠地对设备运行状态进行实时监测。

4.3 WSN系统通信覆盖范围测试

    以青海中信国安某一标准盐田为例，五个采矿现场距离控制室平均距离在32 m，最远距离36 m。为保证WSN系统能够稳定地组网并进行可靠的数据传输，本文对无线传感器网络系统进行了不同距离、不同发射功率情况下的点对点的RSSI值(Received Signal Strength Indication接收信号强度)和丢包率测试。测试结果如图8和图9所示。

    根据以上结果可以看出，随着距离的增加和发射功率的降低，系统丢包率呈现上升趋势，RSSI值逐渐降低。实际安装中，将节点之间的相对距离控制在30 m以内。由以上数据可知，在30 m通信范围内，节点发射功率大于1 dB时，节点丢包率小于3.6，具有较高的通信可靠性。本系统节点发射功率设置为1 dB，其通信覆盖范围具有应用可行性。

5 结论

    本文设计并实现了基于无线传感器网络的矿产开发设备状态监测系统，实现对矿产设备运行状态的远程实时监测与管理，同时在青海矿产地区进行了系统的实地安装及测试。系统网络平均丢包率为0.19，表明具有较高的数据传输可靠性和稳定性，能够满足矿产开发设备运行状态的监测需求。系统通信覆盖范围测试表明，系统能够满足实地安装的通信覆盖范围，具有较好的应用可行性。

参考文献

[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.无线传感网络及其在机械设备振动监测中的运用研究[J].科技信息，2009(35)：40-41，182.

[3] 齐林，韩玉冰，张小栓，等.基于WSN的水产品冷链物流实时监测系统[J].农业机械学报，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，汤宝平，黄庆卿．面向机械振动信号采集的无线传感器网络节点设计[J]．振动与冲击，2013，32(1)：73-77．