江 淮，張全柱，李學哲

(華北科技學院電子信息工程學院，北京 東燕郊 101601)

0 引言

煤礦常見的重大災害事故有五大類:瓦斯煤塵爆炸、礦井火災、煤與瓦斯突出、礦井突然涌水、沖擊地壓和大面積冒頂。其中煤礦頂板事故是由頂板冒落造成人員傷亡、設備財產損失的事件，是煤礦極為嚴重的事故。據(jù)統(tǒng)計，頂板事故發(fā)生的次數(shù)和造成的傷亡人數(shù)占整個礦井死亡人數(shù)的50% ～60%［1］。煤礦頂板事故對煤礦安全生產影響很大，加強頂板管理、減少或杜絕頂板事故的發(fā)生是扭轉煤礦安全生產形勢的重點工作。

如今中國大部分煤礦頂板支護方式是錨桿支護。它是一種非常有效的巖土加固方法，在煤礦回采巷道支護中得到了充分的發(fā)展，產生了巨大的社會和經濟效益。錨桿支護對巷道頂板安全十分重要，具有兩個明顯的特點:一是冒落突然，沒有明顯征兆;二是往往連帶錨桿大塊整體冒落，對工人的人身安全和礦井正常生產威脅更大。解決錨桿支護巷道頂板安全問題，需要用科學的手段，對巷道的穩(wěn)定性、安全性進行監(jiān)測，提前采用防治措施，避免造成損失和災害。經過研究，可以通過檢測頂板離層來預知頂板內部的狀態(tài)，從而采取相應的措施。

頂板離層分為狹義頂板離層和廣義頂板離層，狹義頂板離層指頂板巖層中各分層層面間的相對分離，廣義的頂板離層指巷道頂板巖層中一點與其上方一定深度巖層中某點的相對位移量。廣義頂板離層有著更廣闊的內涵，除包括狹義頂板離層外，還包含頂板巖層彈塑性、擴容、碎脹、曲折變形等［2］。

目前，煤礦井下頂板離層監(jiān)測主要有兩種方法:一是利用機械式或電子式儀表，由人工定期檢測來完成，數(shù)據(jù)被帶到井上計算機進行處理;二是利用各種有線網絡的自動化離層監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)調度室計算機遠距離實時監(jiān)測巷道離層情況。第一種方法測量效率和精度低，人為影響因素大，并且無法實時掌握井下巷道離層情況;第二種方法的成本高，安裝和維護不方便，靈活性和擴展性差。

針對這兩種情況，以 ARM芯片為核心，以ZigBee為傳輸方式，設計了一個離層檢測儀，來實時監(jiān)測煤礦巷道離層的狀態(tài)。

1 離層檢測原理

離層是頂板冒頂?shù)闹饕罢仔畔⒅唬旐敯咫x層超過一定范圍，即表明頂板處于非未定狀態(tài)，如果不及時采取支護措施，便會發(fā)生冒頂?shù)葠盒皂敯迨鹿?。可以說離層是每次頂板破壞失穩(wěn)的基本特征或直接原因。如果能及時準確地掌握頂板離層的情況，就可以在冒頂發(fā)生前，提前作出預報，從而避免頂板事故發(fā)生，保證煤礦的安全開采。

離層檢測原理是從巖層間取兩個不同的基點引出兩條測繩，通過測量測繩的移動位移，就能得出離層量，原理圖如圖1所示。

圖1 離層檢測部分原理圖

在監(jiān)測頂板離層時，離層位置會產生以下幾種情況:

1)離層位置在A點與B點之間。發(fā)生離層時，A點數(shù)據(jù)逐漸增大，B點數(shù)據(jù)不變，(A－B)數(shù)值逐漸增大。因此可以把A或(A－B)作為A，B間離層大小的分析數(shù)據(jù)。

2)離層位置在B點之下。發(fā)生離層時，A點數(shù)據(jù)逐漸增大，B點數(shù)據(jù)逐漸增大，(A－B)數(shù)值不變。因此，可以把A或B數(shù)值作為監(jiān)測分析數(shù)據(jù)。

3)離層位置在A點之上。發(fā)生離層時，A點數(shù)據(jù)不變，B點數(shù)據(jù)不變，(A－B)數(shù)值也不變。此種情況，傳感器失效，非常危險。此時說明對離層發(fā)生的地點估計不準確，需要重新評估頂板的狀態(tài)，重新安裝離層傳感器。

煤礦的頂板離層狀態(tài)基本是這三種情況，有時只有一種情況，偶爾會出現(xiàn)兩種或三種結合，那時就需要采取相應的措施來保證安全。

2 檢測裝置硬件設計

圖1顯示的是檢測離層量的原理，整個裝置的工作原理是利用兩個精密拉繩式位移測量模塊來檢測深部和淺部基點的位移變化量，由于輸出是電流值，需要通過轉換電路轉換成電壓，供MCU(微控制器)采樣。MCU根據(jù)采樣的電壓值，分析計算深部和淺部位移，得到頂板離層量。計算結果通過無線收發(fā)器CC2420傳送給分站，并由分站通過RS485總線上傳地面監(jiān)控計算機，實現(xiàn)井下巷道離層情況的實時監(jiān)測。

整個離層檢測裝置主要由CPU電路、供電電路、ZigBee無線通信電路、液晶顯示電路、按鍵電路、位移檢測電路和拉繩式位移測量模塊等組成，其結構如圖2所示。

圖2 離層檢測裝置結構圖

2.1 CPU 電路

CPU電路是整個系統(tǒng)的核心，選擇的微控制器芯片是CPU電路的核心，裝置使用的芯片是意法半導體公司生產的STM32系列芯片，具體型號為STM32F103ZET6。芯片使用高性能的ARM?CortexTM－M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器(高達512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。而且包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口:多達2個 I2C接口、3個 SPI接口、2個 I2S接口、1個 SDIO接口、5個 USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。能夠工作于－40℃至+105℃的溫度范圍，供電電壓 2.0 V至3.6 V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。芯片管腳圖如圖3所示。

CPU電路最重要的是引腳功能的定義。在該系統(tǒng)中，PA口負責模擬液晶屏控制信號和狀態(tài)指示信號;PB口可以與CC2420連接，包含一個SPI總線，能夠與CC2420快速的進行數(shù)據(jù)交換;PC0～PC5是芯片的模數(shù)轉換專用接口，可以選擇作為AD采樣接口，用于離層檢測;PC口其余的口可以作為按鍵輸入接口，負責采集按鍵信息。

2.2 離層位移檢測電路

系統(tǒng)中離層位移的檢測通過拉繩式位移測量模塊配合相應的放大調整電路實現(xiàn)。為了實現(xiàn)電流信號的精確測量，放大電路采用運放LM358設計。通過本電路實現(xiàn)0～20mA電流向0～3V電壓的轉換，單片機根據(jù)測得的電壓值計算位移量。

2.3 CC2420 電路

無線收發(fā)器CC2420實現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)和底層控制，通過狀態(tài)功能引腳指示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài);MCU通過SPI總線與CC2420交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。MCU作為SPI主控器件實現(xiàn)ZigBee協(xié)議層，由CC2420作為從動器件實現(xiàn)節(jié)點之間信號的傳輸。

2.4 用戶接口設計

為了方便用戶的使用，實現(xiàn)測量參數(shù)的標定與顯示，系統(tǒng)設計了按鍵與顯示模塊。按鍵可直接與MCU連接，可方便地選擇功能及輸入設置參數(shù);利用液晶屏實時顯示測量位移值，液晶屏采用LCD1602設計。

3 檢測裝置軟件設計

離層檢測裝置軟件采用C語言設計，主要包括主程序模塊，按鍵輸入模塊，液晶顯示模塊，參數(shù)設置模塊，頂板離層測量模塊和ZigBee無線通信模塊。MCU首先在液晶屏上顯示開機信息，然后分別進入“標定”和“測量”模式?！皹硕ā蹦Ｊ较?，MCU利用按鍵設置標準參數(shù)，為位移的精確測量提供基準數(shù)據(jù);“測量”模式下，MCU采集、計算、顯示測量結果，同時將測量結果通過CC2420無線收發(fā)器傳送給Sink節(jié)點，并由Sink節(jié)點統(tǒng)一將信息上傳分站和上位機，供監(jiān)控計算機分析，處理。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖3 STM32F103ZET6功能引腳圖

圖4 程序流程圖

4 實驗與分析

4.1 ZigBee通信可靠性分析實驗

針對設計的頂板離層檢測傳感器進行了通信可靠性分析實驗，主要分析了接收信號強度隨距離的衰減特性以及收包率與節(jié)點間距的關系。實驗中接收信號強度由專用的強度檢測模塊來完成，收包率測試時節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)500次。實驗數(shù)據(jù)見表1。實驗結果表明，RSSI值和收包率隨著節(jié)點間距的增大逐漸減小，間距為10 m時，通信可靠性最好。

表1 ZigBee通信可靠性實驗數(shù)據(jù)表

4.2 傳感器綜合實驗

針對設計的頂板離層檢測傳感器，進行了綜合測試實驗，實驗框圖如圖5所示。其中，節(jié)點距離設置為10 m;兩個拉繩位移傳感器分別用于模擬深部位移和淺部位移，位移的標準值通過游標卡尺讀取;所設計的傳感器負責對位移的感知和處理，并通過無線射頻信號發(fā)射出去;Sink節(jié)點接收傳感器節(jié)點發(fā)送的無線射頻信號，通過RS485總線上傳監(jiān)控計算機。

圖5 離層檢測實驗框圖

實驗數(shù)據(jù)見表2。實驗結果表明，本文設計的頂板離層檢測傳感器，可以實現(xiàn)離層位移的精密測量，測量誤差控制在±2%;傳感器具有Zigbee無線通信功能，可以靈活方便的上傳測量結果，能夠滿足設計要求。

表2 頂板離層檢測實驗數(shù)據(jù) (mm)

5 結論

文中提出的離層檢測裝置以arm芯片為核心，充分利用了arm芯片的高精度、高效率、低成本、低功耗、靈活方便等特點，并結合ZigBee技術的優(yōu)勢，設計一種具有無線通信功能的高精度、自動化離層檢測裝置，從而為保障煤礦安全生產提供一種新的技術手段。

［1］ 陳娟，趙耀江.進十年來我國煤礦事故統(tǒng)計分析及啟示［J］.煤炭工程，2012，3:137 －139.

［2］ 鞠文君.錨桿支護巷道頂板離層機理與監(jiān)測［J］.煤炭學報，2000，12:58 －60.

［3］ 孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應用［J］.微計算機應用，2010，12:59－63.

［4］ 文振明.頂板離層與監(jiān)測［J］.煤炭技術，2006，3:15－17.

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