張金薇，徐煥超

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083）

煤炭行業(yè)是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源行業(yè)，在我國(guó)能源供給結(jié)構(gòu)中占有重要的戰(zhàn)略地位。這幾年，我國(guó)煤礦事故時(shí)有發(fā)生，給人們的生命、財(cái)產(chǎn)都帶來(lái)了巨大的損失。因此礦井安全受到廣泛的關(guān)注，如何對(duì)礦山壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)也是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

現(xiàn)有的礦井檢測(cè)系統(tǒng)多通過(guò)有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)固定地點(diǎn)的礦下巷道頂板壓力。有線(xiàn)通信方式布線(xiàn)復(fù)雜、成本昂貴，在礦井建設(shè)初期如果規(guī)劃不完善，可能遺漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)。而新型無(wú)線(xiàn)礦山壓力傳感器可隨時(shí)增加/減少監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行組網(wǎng)，使前期規(guī)劃更簡(jiǎn)捷。由于礦井巷道和工作面是會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)延伸變化的，而有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是相對(duì)固定，只有無(wú)線(xiàn)傳感器才能靈活地變動(dòng)組網(wǎng)方式、放置位置，更好地適應(yīng)礦井巷道的變化方式。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，由于對(duì)某區(qū)域的探索性開(kāi)采而形成長(zhǎng)度無(wú)法預(yù)知的探測(cè)巷道，探測(cè)巷道隨時(shí)可能被廢棄或者增加掘進(jìn)深度，有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)容易增加開(kāi)采成本并且造成資源的浪費(fèi)。無(wú)線(xiàn)傳感器則可回收重復(fù)利用，節(jié)約成本，減少布線(xiàn)費(fèi)用。

目前雖然有些礦井壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備采用了紅外無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞讲杉瘔毫?shù)據(jù)，但紅外線(xiàn)傳輸一旦在傳輸線(xiàn)路上受到阻擋就無(wú)法正確傳輸數(shù)據(jù)。本文選用ZigBee無(wú)線(xiàn)電波傳輸，保證了傳輸?shù)目煽啃?。ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有延時(shí)短、免許可無(wú)線(xiàn)通信頻段、多種組網(wǎng)方式、大容量網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢(shì)。將壓力傳感器安裝于各檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)巷道頂板壓力，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)（基站）。匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控管理中心通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行通信，通過(guò)這種方式用戶(hù)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以便做判斷或者決策。

1 功能綜述

我國(guó)礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，并隨著開(kāi)采巷道的加深，出現(xiàn)多種頂板問(wèn)題。隨著時(shí)間推移，可能出現(xiàn)頂板下沉、兩幫鼓出、工作面冒頂垮落等問(wèn)題[1]。本文設(shè)計(jì)的礦山壓力檢測(cè)系統(tǒng)以ZigBee技術(shù)做為無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)幕A(chǔ)。

首先選用GD-307型礦用頂板壓力傳感器安置在各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。該傳感器實(shí)時(shí)采集頂板壓力與位移量，并按時(shí)將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。然后各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，確定各節(jié)點(diǎn)的地理位置，將傳輸進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較。若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)量超過(guò)閾值，馬上啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行警報(bào)，再將檢測(cè)量與地理位置、時(shí)間等數(shù)據(jù)打包，傳送到上位機(jī)。如檢測(cè)量未超過(guò)閾值，則直接將數(shù)據(jù)打包傳送到上位機(jī)。等待是否上位機(jī)有回復(fù)命令，若有則執(zhí)行命令。沒(méi)有則繼續(xù)以上程序。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要兼顧了系統(tǒng)的安全性、實(shí)時(shí)性和可靠性幾個(gè)方面。選用專(zhuān)業(yè)礦下傳感器，隔爆且靈敏度高。

本文所設(shè)計(jì)的新型無(wú)線(xiàn)礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由礦山壓力監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成，眾傳感器可以獨(dú)立、可靠地工作。無(wú)線(xiàn)礦山壓力傳感器位于各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井巷道頂板壓力，對(duì)比設(shè)置的壓力閾值。若超過(guò)閾值，則及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并將所得到的信息通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)[2-3]，使上位機(jī)可以?xún)?chǔ)存信息，便于對(duì)事故的監(jiān)控和預(yù)測(cè)。

無(wú)線(xiàn)瓦斯監(jiān)測(cè)傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由數(shù)據(jù)采集單元、微控制器單元和通信單元、電源單元4部分組成。

圖1 無(wú)線(xiàn)瓦斯監(jiān)測(cè)傳感器硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)選用GD-307型礦用頂板壓力傳感器以及GDY-306型礦用頂板位移傳感器作為傳感器數(shù)據(jù)采集器。以上兩種傳感器均為礦用本質(zhì)安全型，并具有體積較小、使用簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高、工作穩(wěn)定、測(cè)量范圍大等優(yōu)勢(shì)。完全符合礦用電子設(shè)備要求，適用于工控場(chǎng)合等復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測(cè)[4-5]。

本設(shè)計(jì)中采用赫利訊公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)CC2430，具有防爆、功耗小、工作電壓低、頻率高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。符合因煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜、信號(hào)衰減嚴(yán)重、干擾因素繁多而對(duì)電氣設(shè)備提出的較高的安全要求[6-10]。

本設(shè)計(jì)的微處理器單元采用STC12C5410單片機(jī)，處理速度比傳統(tǒng)的51單片機(jī)快8～12倍，且價(jià)格低廉、功耗超低，具有寬電壓范圍和超強(qiáng)抗干擾能力[11]。由于礦下條件復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求較高，使用該單片機(jī)基本可以符合靈敏度高、低功耗、高效率等原則。

3 軟件設(shè)計(jì)

以硬件電路為基礎(chǔ)，軟件主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集及無(wú)線(xiàn)收發(fā)、節(jié)點(diǎn)定位、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)路、數(shù)據(jù)顯示等功能。

（1）傳感器數(shù)據(jù)采集與處理。通過(guò)傳感器采集礦井巷道頂板的壓力，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

（2）節(jié)點(diǎn)定位。確定該礦山壓力傳感器所在位置，在礦山壓力超標(biāo)時(shí)能準(zhǔn)確地確定事故地點(diǎn)。

（3）節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有新的壓力傳感器節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，可自動(dòng)搜索并加入網(wǎng)路，當(dāng)某壓力傳感器節(jié)點(diǎn)撤離后自動(dòng)從網(wǎng)絡(luò)中刪除。

（4）發(fā)出警報(bào)。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值超標(biāo)時(shí)及時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)，以最快的速度警示井下員工撤離。

（5）無(wú)線(xiàn)收發(fā)。將檢測(cè)到的頂板信息通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送至上位機(jī)，同時(shí)將上位機(jī)命令發(fā)送至傳感器。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件程序流程圖

本文針對(duì)當(dāng)前礦山壓力有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺陷，引入無(wú)線(xiàn)傳感器組網(wǎng)技術(shù)，將基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中[3]，開(kāi)發(fā)出了一套適于礦山井下使用的無(wú)線(xiàn)壓力傳感器系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，實(shí)時(shí)采集礦井巷道各點(diǎn)壓力，并通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)傳到上位機(jī)，使井下安全得到保障，極大地減少了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

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