李學(xué)哲，羅建國，宮新勇，劉少海

(華北科技學(xué)院機(jī)電應(yīng)用技術(shù)研究所，北京東燕郊 101601)

0 引言

巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)是研究巷道圍巖變形、檢驗(yàn)支護(hù)效果、修改支護(hù)參數(shù)、判斷巷道穩(wěn)定性、保證安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的主要內(nèi)容有，巷道表面位移、圍巖深部位移、頂板離層、錨桿受力等。監(jiān)測(cè)的目的是，通過對(duì)監(jiān)測(cè)獲得的信息進(jìn)行科學(xué)分析，為完善巷道設(shè)計(jì)提供依據(jù);通過動(dòng)態(tài)觀測(cè)巷道圍巖活動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取有效措施，為礦井安全生產(chǎn)提供保障［1－2］。

目前，煤礦現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)具備了一些巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段和裝備，各種電子式監(jiān)測(cè)儀表和基于有線網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相繼應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)。這些監(jiān)測(cè)儀表和系統(tǒng)雖然在一定程度上解決了煤礦現(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)的問題，但普遍存在價(jià)格昂貴、測(cè)量精度低、抗干擾能力差、安裝和維護(hù)不方便、靈活性和擴(kuò)展性差等不足，限制著其在煤礦領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。近年來，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展起來，并在煤礦領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［3－4］。針對(duì) ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和煤礦巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，本文提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用智能傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)巷道表面位移、離層、壓力等狀態(tài)參數(shù)的精確測(cè)量，以無線通信的方式將測(cè)量結(jié)果傳送給分站，并由分站上傳地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以直接接收結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)井下巷道支護(hù)情況的實(shí)時(shí)、可靠監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)的分析、處理、匯總和統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)軟件采用VC6.0高級(jí)語言設(shè)計(jì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在巷道中的多個(gè)智能ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用樹狀網(wǎng)。傳感器節(jié)點(diǎn)完成巷道表面位移、離層和錨桿受力等情況的檢測(cè)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)以無線通信方式匯聚到匯聚節(jié)點(diǎn);匯聚節(jié)點(diǎn)通過RS485總線的方式和光纖環(huán)網(wǎng)相連接。光纖環(huán)網(wǎng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的監(jiān)控信息傳送到地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，對(duì)井下巷道支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)可能發(fā)生的安全事故做出提前預(yù)警。

圖1 基于ZigBee的巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)測(cè)站組成，每一個(gè)測(cè)站包括一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和六個(gè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)。測(cè)站的數(shù)量和布置位置可以根據(jù)客戶的需要調(diào)整。傳感器節(jié)點(diǎn)A、B負(fù)責(zé)巷道表面位移的測(cè)量，分別用于監(jiān)測(cè)頂板下沉量和兩幫移近量。巷道表面位移的測(cè)量采用先進(jìn)的激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊將位移變化轉(zhuǎn)換為0～20mA電流信號(hào)，具有檢測(cè)精度高、性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、防水防塵、使用方便等優(yōu)點(diǎn);傳感器節(jié)點(diǎn)C負(fù)責(zé)頂板離層的檢測(cè)。利用兩個(gè)精密拉繩式位移測(cè)量模塊來檢測(cè)深部和淺部基點(diǎn)的位移變化量。傳感器根據(jù)采樣的電壓值，分析計(jì)算深部和淺部位移，并得到頂板離層量;傳感器節(jié)點(diǎn)D、E、F負(fù)責(zé)錨索受力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。錨索受力狀態(tài)的檢測(cè)利用精密扭矩測(cè)量模塊配合相應(yīng)的放大調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)。傳感器根據(jù)采樣的電壓值，分析計(jì)算錨索受力大小。該模塊具有檢測(cè)精度高、性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、防水防塵、使用方便等優(yōu)點(diǎn)［5］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

圖2 ZigBee智能傳感器節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)框圖

在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)巷道支護(hù)狀態(tài)參數(shù)的感知和采集，并通過Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)與匯聚節(jié)點(diǎn)交換信息。本文設(shè)計(jì)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)主要由供電電路、CPU電路、ZigBee無線通信電路、液晶顯示電路、按鍵電路、信號(hào)檢測(cè)電路和傳感器測(cè)量模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。供電電路負(fù)責(zé)為整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行提供能量;按鍵、液晶顯示、EEPROM存儲(chǔ)等電路，用于完成傳感器標(biāo)定和測(cè)量參數(shù)顯示等功能;單片機(jī)電路負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)和處理節(jié)點(diǎn)自身采集的數(shù)據(jù)以及匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的指令;ZigBee無線通信電路負(fù)責(zé)與其他傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信、交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中，Zigbee無線通信電路采用無線收發(fā)器 CC2420設(shè)計(jì)。單片機(jī)與無線收發(fā)器CC2420的接口電路原理如圖3所示。CC2420實(shí)現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)和底層控制，通過 SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個(gè)引腳指示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，單片機(jī)通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。單片機(jī)作為SPI主控器件實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議層，由CC2420作為從動(dòng)器件實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)的傳輸。

圖3 CC2420接口電路原理圖

信號(hào)檢測(cè)電路和傳感器測(cè)量模塊負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的狀態(tài)參數(shù)概括起來有巷道表面位移、頂板離層和錨索受力大小等。其中，表面位移的檢測(cè)通過Y1TA100激光測(cè)距模塊配合相應(yīng)的放大調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)。該模塊測(cè)量范圍0～10 m，輸出0～20 mA的電流信號(hào)。通過電路實(shí)現(xiàn)0～20 mA電流向0～5 V電壓的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的電壓值計(jì)算位移量。頂板離層的檢測(cè)通過拉繩式位移測(cè)量模塊配合相應(yīng)的放大調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)。傳感器根據(jù)采樣的電壓值，分析計(jì)算深部和淺部位移，并得到頂板離層量。錨桿受力狀態(tài)的檢測(cè)利用精密扭矩測(cè)量模塊配合相應(yīng)的放大調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)。傳感器根據(jù)采樣的電壓值，分析計(jì)算錨桿受力大小。

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、地址分配、發(fā)送控制命令、接收處理各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及與上位機(jī)通信等功能。本文設(shè)計(jì)的Zigbee匯聚節(jié)點(diǎn)主要由供電電路、CPU電路、ZigBee無線通信電路、液晶顯示電路、按鍵電路及總線接口電路等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖可以看出，匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)類似，不同之處在于，它沒有監(jiān)測(cè)功能，但增加了總線接口電路，用于實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的信息傳輸與交換。本文設(shè)計(jì)的總線接口電路采用RS485通信方式，接口電路原理如圖5所示。利用RS485總線接口，匯聚節(jié)點(diǎn)將各傳感器節(jié)點(diǎn)采集的表面位移、頂板離層、錨索受力等各種監(jiān)控信息上傳地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)井下巷道支護(hù)情況的實(shí)時(shí)、可靠監(jiān)測(cè)。

圖4 ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)框圖

圖5 RS485總線接口電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用Keil C51設(shè)計(jì)，軟件采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，主要包括主程序模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無線通信模塊和RS485通信模塊等。其中，主程序模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制其他子功能模塊，為用戶提供良好的人機(jī)界面，處理采集到的信息，對(duì)緊急情況做出預(yù)警和保護(hù)等。數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用是采集現(xiàn)場(chǎng)的表面位移、頂板離層、錨索受力等信息。ZigBee無線通信模塊的功能是完成網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸與交互。RS485通信模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)信息交換的接口，主要完成Zigbee匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的通信。

ZigBee通信軟件是本軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)兩部分。軟件流程如圖6所示。具體工作過程如下:匯聚節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送組網(wǎng)廣播，并偵聽傳感器節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求;傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)請(qǐng)求，向匯聚節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)信息，完成組網(wǎng);組網(wǎng)結(jié)束后，傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，匯聚節(jié)點(diǎn)處于工作模式，偵聽傳感器節(jié)點(diǎn)連接請(qǐng)求命令;當(dāng)有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)主動(dòng)請(qǐng)求連接匯聚節(jié)點(diǎn)，并上報(bào)檢測(cè)到的狀態(tài)信息。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

針對(duì)設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了Zigbee無線通信可靠性分析實(shí)驗(yàn)，主要分析了接收信號(hào)強(qiáng)度隨距離的衰減特性以及收包率與節(jié)點(diǎn)間距的關(guān)系［6］。實(shí)驗(yàn)中接收信號(hào)強(qiáng)度由專用的強(qiáng)度檢測(cè)模塊來完成，收包率測(cè)試時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)500次。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RSSI值和收包率隨著節(jié)點(diǎn)間距的增大逐漸減小，間距為10m時(shí)，Zigbee通信可靠性最好。

表1 ZigBee通信可靠性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

本文提出的基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巷道支護(hù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，集計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，系統(tǒng)充分利用了ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有高精度、高效率、低成本、靈活方便等特點(diǎn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于，充分結(jié)合硬件、軟件的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有無線通信功能的高精度、自動(dòng)化巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而為保障煤礦安全生產(chǎn)提供了一種新的技術(shù)手段。

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［2］ 張光建.回采巷道錨桿支護(hù)狀態(tài)觀測(cè)研究［J］.煤炭工程，2002，7:5 －7.

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