常云澤

(晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心， 山西 晉城 048006)

0 引言

頂板離層是指巷道周邊圍巖與遠(yuǎn)離周邊的圍巖之間出現(xiàn)臺(tái)階式躍變，進(jìn)而引發(fā)頂板冒落的災(zāi)難性事故，其不但影響煤礦的正常生產(chǎn)，而且會(huì)造成人員傷亡。長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦安全問(wèn)題一直是制約煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素,當(dāng)前我國(guó)采掘工作面回采巷道的頂板主要有棚式和錨桿兩種支護(hù)形式：棚式支護(hù)是依靠支架自身的強(qiáng)度和剛度為頂板巖層提供支護(hù)抗力，起到支護(hù)作用；錨桿支護(hù)是利用錨桿將巷道周邊巖體加固，使錨桿與所錨固范圍內(nèi)的巖體共同組成一個(gè)支護(hù)體系來(lái)支護(hù)巷道頂板。錨桿支護(hù)對(duì)巷道圍巖的強(qiáng)化作用可顯著提高圍巖的穩(wěn)定性，加之支護(hù)成本低，可明顯改善作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)條件，提高礦井的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，因而成為世界各國(guó)礦井巷道的一種主要支護(hù)形式。因此,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨桿支護(hù)巷道，可提前預(yù)測(cè)頂板離層走向并及時(shí)采取相應(yīng)措施，從而防止頂板冒落，避免突發(fā)性事故的發(fā)生變得尤為重要。但目前常用的頂板離層儀是靠人工定時(shí)觀察測(cè)量頂板離層狀況， 誤差較大，而且不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，煤礦安全生產(chǎn)得不到保障。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于射頻通信技術(shù)的低功耗煤礦頂板離層實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 頂板離層實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

頂板離層無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)是專門(mén)針對(duì)礦井下錨噴支護(hù)巷道內(nèi)頂板離層位移量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)，它主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)分站、手持采集器和地面監(jiān)測(cè)臺(tái)4部分組成。該系統(tǒng)采用可靠的無(wú)線射頻通信技術(shù),可實(shí)現(xiàn)巷道頂板位移數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、傳輸、分析、顯示以及預(yù)警。監(jiān)控分站提供以太網(wǎng)接口連接到井下原有環(huán)網(wǎng),將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全快速地傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控臺(tái)。地面監(jiān)控臺(tái)采用列表、曲線等多種方式,將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 頂板離層實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由微處理器(MCU)、無(wú)線通信模塊、1×5薄膜按鍵、LCD模塊、電池模塊和位移傳感器組成。該設(shè)計(jì)所采用的微處理器是一款低功耗處理器，通過(guò)軟件配置可實(shí)施不同休眠等級(jí)，不同休眠等級(jí)的功耗也不同，配合無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)休眠和載波監(jiān)聽(tīng)喚醒，既延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，又降低了井下維護(hù)難度和費(fèi)用，減少了井下工作量。

無(wú)線模塊的原理及其與MCU的連接如圖2所示。

圖2 MCU原理

當(dāng)MCU在一定時(shí)間里沒(méi)有接收到來(lái)自無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，這時(shí)它的位移采集模塊正常工作，其他內(nèi)部模塊都停止工作以降低整機(jī)功耗。MCU的喚醒方式主要有兩種：當(dāng)位移采集模塊采集的數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警門(mén)限時(shí),它會(huì)主動(dòng)醒來(lái)以發(fā)送報(bào)警；而當(dāng)無(wú)線模塊接收到外界的查詢信號(hào)時(shí),它會(huì)被無(wú)線模塊喚醒，接收處理查詢信息。

無(wú)線通信模塊作為本設(shè)計(jì)的重要單元，同樣采用了低功耗的設(shè)計(jì),如圖3所示。經(jīng)過(guò)配置，模塊在除主動(dòng)發(fā)送外的其他時(shí)間均處于接收狀態(tài)，并開(kāi)啟WOR(無(wú)線載波喚醒)功能，即該模塊在沒(méi)有數(shù)據(jù)可發(fā)送或接收的情況下,進(jìn)入了休眠模式;當(dāng)檢測(cè)到信道上有截波振動(dòng)時(shí)，才喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，這種應(yīng)用進(jìn)一步降低了整機(jī)功耗。另外，無(wú)線模塊的其他一些配置采用了如2-FSK制式、433 MHz的載波頻率、2.4 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率等,可降低整機(jī)功耗,穩(wěn)定通信質(zhì)量，使通信距離達(dá)到300 m以上，而丟包率

圖3 無(wú)線通信模塊原理

遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5%。

傳感器節(jié)點(diǎn)的功能包括：

1) 2路位移模擬量輸入，2路數(shù)字I/O輸入(光電隔離)。

2) 通過(guò)鍵盤(pán)配置輸入，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，液晶顯示配置信息。

3) 定時(shí)向井下分站無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)。

4) 低功耗器件，定時(shí)采集數(shù)據(jù)。

5) LED指示位移量報(bào)警。

6) 載波喚醒向無(wú)線數(shù)據(jù)采集器發(fā)送頂板位移量和地址。

7) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄信號(hào)采集日期、時(shí)間。

8) 供電控制模塊，最大程度節(jié)省電池組電能。

9) 體積小、本質(zhì)安全電路、安裝維護(hù)方便。

位移傳感器達(dá)到的性能指標(biāo)：最大量程為500 mm，安裝方式為2點(diǎn)式，采集分辨率為1 mm，布點(diǎn)距離50 m，電池工作時(shí)間大于6個(gè)月。

2.2 監(jiān)測(cè)分站

監(jiān)測(cè)分站以ARM內(nèi)核處理器LPC1758為中央處理單元，由電源轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、通信網(wǎng)絡(luò)接口單元、鍵盤(pán)輸入單元、液晶LED顯示及聲音報(bào)警單元、無(wú)線通信單元及時(shí)鐘電路組成。其無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)同傳感器節(jié)點(diǎn),監(jiān)測(cè)分站設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)分站原理

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元由靜態(tài)RAM構(gòu)成，可保存該井下監(jiān)測(cè)分站所負(fù)責(zé)的40個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、24 h、3個(gè)班次(或4個(gè)班次)所采集的頂板位移數(shù)據(jù)。鍵盤(pán)輸入單元可設(shè)定分站地址、修改實(shí)時(shí)時(shí)鐘、查詢傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等。液晶LED顯示及報(bào)警單元，可顯示時(shí)間、最新存儲(chǔ)的一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，報(bào)警節(jié)點(diǎn)地址、報(bào)警位移量，并可通過(guò)翻頁(yè)鍵逐條查詢單個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。LED指示燈包括電源指示燈、系統(tǒng)運(yùn)行指示燈、以太通信指示燈、報(bào)警指示燈。無(wú)線數(shù)傳單元負(fù)責(zé)完成與最鄰近頂板位移傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)5 m范圍內(nèi)有無(wú)線數(shù)據(jù)采集器，并接收到該無(wú)線數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)上傳指令時(shí)，可把當(dāng)前存儲(chǔ)的分站數(shù)據(jù)傳送給無(wú)線數(shù)據(jù)采集器。以太接口傳輸單元完成與地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信，使頂板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)礦山工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。電源轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將輸入的礦用直流電源變換為單片機(jī)系統(tǒng)所需+5 V或3.3 V電壓。

2.3 便攜式數(shù)據(jù)采集器

便攜式數(shù)據(jù)采集器以低功耗單片機(jī)LPC1758為中央處理單元，由磷酸鐵鋰電池、電源管理單元、數(shù)據(jù)保存單元、RS-232傳輸單元，鍵盤(pán)輸入、液晶顯示及報(bào)警單元、無(wú)線通信單元和紐扣電池及時(shí)鐘電路組成,其無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)同傳感器節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

圖5 采集器設(shè)計(jì)原理

便攜式數(shù)據(jù)采集器以可充電電池方式供電，通過(guò)電池充電接口以及內(nèi)部電源管理單元對(duì)電池充電。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部鋰電池可為扭扣電池充電，以保證采集器關(guān)機(jī)后系統(tǒng)時(shí)鐘能正常運(yùn)行。

便攜式數(shù)據(jù)采集器主要功能包括：

1) 當(dāng)系統(tǒng)地面監(jiān)控中心主機(jī)和分站之間不能通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，以至于傳感器采集到的數(shù)據(jù)無(wú)法自動(dòng)發(fā)送到地面主機(jī)時(shí)，可以利用采集器獲得傳感器或者分站的頂板離層數(shù)據(jù)。

2) 利用采集器按鍵可實(shí)現(xiàn)本機(jī)的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、ID號(hào)設(shè)置、時(shí)間設(shè)置、已獲得數(shù)據(jù)的查詢等功能。

3) 液晶顯示器可實(shí)時(shí)顯示已采集到的傳感器上頂板深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)離層位移量，并配合按鍵顯示相應(yīng)菜單和設(shè)置項(xiàng)。

4) 當(dāng)采集器成功獲得一個(gè)傳感器上的數(shù)據(jù)時(shí)，采集器會(huì)鳴叫1聲進(jìn)行聲音提示；當(dāng)采集器無(wú)法獲得一個(gè)傳感器上的數(shù)據(jù)時(shí)，采集器會(huì)鳴叫2聲進(jìn)行聲音提示。

5) 數(shù)據(jù)采集完成后，將采集器帶到地面，利用采集器下端RS-232接口，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入監(jiān)控中心的主機(jī)監(jiān)測(cè)軟件中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、分站軟件設(shè)計(jì)、便攜式采集器軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)工作流程見(jiàn)圖6。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所在點(diǎn)的頂板位移量并定時(shí)保存至本地存儲(chǔ)器，或響應(yīng)井下分站及便攜式數(shù)據(jù)采集器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢。當(dāng)位移超限時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以在30 s內(nèi)做出響應(yīng)并立即上報(bào)給井下分站，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的紅色LED閃亮做出警示。監(jiān)測(cè)分站每隔一段設(shè)定的時(shí)間向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)查詢，將節(jié)點(diǎn)保存的頂板離層數(shù)據(jù)，通過(guò)射頻通信模塊以無(wú)線方式傳輸?shù)奖镜谾LASH，以供工人或上位機(jī)查詢。同時(shí)，監(jiān)測(cè)分站還可以遠(yuǎn)程對(duì)其管理下的傳感器節(jié)點(diǎn)的配置信息進(jìn)行修改、重置等維護(hù)。便攜式采集器是一個(gè)機(jī)動(dòng)設(shè)備，它可以隨工人到任何地方以無(wú)線方式采集附近的節(jié)點(diǎn)或分站上保存的位移數(shù)據(jù)，帶到地面監(jiān)控室后再以RS-232的或USB的通信方式將采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控上位機(jī)上的監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中。監(jiān)控中心上位機(jī)軟件是一個(gè)以微軟SQLServer2005數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)是基于Windows .NET平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，該數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件主要用于中小型企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案，具有穩(wěn)定性高、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控中心對(duì)分站上傳的各頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、報(bào)警、保存，并且能配置分站和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)參數(shù),如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)軟件工作流程

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中最重要的內(nèi)容是低功耗的軟件實(shí)現(xiàn)和節(jié)點(diǎn)之間的路由協(xié)議。低功耗的軟件實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分已附帶說(shuō)明，而路由協(xié)議的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)軟件中的難點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)是以鏈?zhǔn)脚帕械模嚯x分站遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)要到達(dá)分站需要上一級(jí)的節(jié)點(diǎn)做路由，并且數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)鏈上是有方向的，即節(jié)點(diǎn)發(fā)給分站的數(shù)據(jù)是向分站方向傳輸?shù)?，無(wú)線信號(hào)是全方向的，它可以被當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到，也可以被下一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到，故需要有一套穩(wěn)定的路由協(xié)議確保數(shù)據(jù)的傳輸方向正確，根據(jù)無(wú)線信號(hào)的特點(diǎn)，同一信號(hào)可能被當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的以下(或以上)多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到，因此設(shè)計(jì)了一套合理、穩(wěn)定、有效的路由協(xié)議,即所有在同一鏈路上的節(jié)點(diǎn)按照前后順序編好序號(hào)，在協(xié)議中規(guī)定了報(bào)文的發(fā)送號(hào)、轉(zhuǎn)發(fā)號(hào)、目的號(hào)，一條報(bào)文只能在相鄰的3個(gè)節(jié)點(diǎn)中傳輸，這樣可避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)同一條報(bào)文的沖突問(wèn)題，并且報(bào)文可按照節(jié)點(diǎn)鏈路安全到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明，該路由協(xié)議能穩(wěn)定可靠地將報(bào)文送到目的地。

圖7 監(jiān)控中心上位機(jī)軟件

4 結(jié)論

煤礦頂板離層動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用433 MHz無(wú)線射頻技術(shù),替代傳統(tǒng)頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的有線通信方式，實(shí)現(xiàn)了礦山井下巷道頂板離層位移量的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、無(wú)線傳輸、無(wú)線聯(lián)網(wǎng)、預(yù)警和數(shù)據(jù)分析等功能。該系統(tǒng)具有構(gòu)成簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便、可靠性高、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，同時(shí)低功耗的應(yīng)用使節(jié)點(diǎn)壽命大大加長(zhǎng)，降低了維護(hù)成本和工作量。目前該系統(tǒng)已被應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)效果良好，參數(shù)指標(biāo)如表1。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用指標(biāo)

該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)還處在初級(jí)階段,可進(jìn)一步擴(kuò)展升級(jí),如井下采用統(tǒng)一的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，增加傳輸可靠性?？赏ㄟ^(guò)進(jìn)一步優(yōu)化頂板離層監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步為煤礦的安全生產(chǎn)提供更可靠的保障。