王 磊

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云崗礦， 山西 大同 037017）

引言

我國煤礦生產(chǎn)主要為地下開采形式，開采過程需要在井下挖掘大量的巷道，巷道的通暢和圍巖的穩(wěn)定關(guān)系著煤礦生產(chǎn)穩(wěn)定和安全[1-2]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，掘進(jìn)巷道的圍巖壓力變化較大，極易發(fā)生頂板垮落，需要對(duì)巷道的圍巖壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，以保障生產(chǎn)穩(wěn)定安全進(jìn)行。因此針對(duì)目前生產(chǎn)中應(yīng)用的傳統(tǒng)圍巖壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的監(jiān)測(cè)布線復(fù)雜、靈活性差的不足，結(jié)合相關(guān)資料以及生產(chǎn)規(guī)定對(duì)煤礦掘進(jìn)巷道的圍巖壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)[3-5]。

1 Zigbee無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

為了保障巷道的通暢與安全需要對(duì)掘進(jìn)巷道的圍巖壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，以保障生產(chǎn)工作的安全穩(wěn)定進(jìn)行。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方案需要進(jìn)行布線、布置工作時(shí)間長、靈活性差，已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)需要。Zigbee 是目前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種適用于短距離傳輸、速率要求不高的無線通訊技術(shù)，它基于IEEE802.15.4 通訊協(xié)議工作，具有功耗小、成本低的優(yōu)勢(shì)，監(jiān)測(cè)中無需人工布線，靈活性好，可以自行組網(wǎng)，自動(dòng)化水平高，可靠性強(qiáng)。

本文基于Zigbee 無線通訊技術(shù)進(jìn)行煤礦掘進(jìn)巷道圍巖壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為三層，包括現(xiàn)場(chǎng)感知層、通訊網(wǎng)絡(luò)層以及上位機(jī)應(yīng)用層?，F(xiàn)場(chǎng)感知層即傳感器節(jié)點(diǎn)層主要由傳感器、單片機(jī)、無線收發(fā)模塊以及外圍電路共同組成，完成對(duì)壓力值得檢測(cè)、轉(zhuǎn)化、無線傳輸。通訊網(wǎng)絡(luò)層主要利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的信息匯聚，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由無線收發(fā)模塊和單片機(jī)以及外圍電路共同組成，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息進(jìn)行接收、匯總、轉(zhuǎn)化，并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)應(yīng)用層。上位機(jī)應(yīng)用層由工控機(jī)和聲光報(bào)警器組成，完成對(duì)采集信息的轉(zhuǎn)化處理，根據(jù)軟件程序進(jìn)行圍巖壓力狀態(tài)判斷，決定是否發(fā)出警報(bào)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件選型

綜合考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境以及功能需求，首先對(duì)構(gòu)成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行選型，系統(tǒng)的硬件主要包括傳感器、單片機(jī)、無線收發(fā)模塊、上位機(jī)、外圍電路、電源等。其中，單片機(jī)作為系統(tǒng)接收、傳輸、處理的核心設(shè)備，選擇TI 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MSP430 型16 位超低功耗微處理器，該MCU 處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，性能穩(wěn)定具有方便快捷的開發(fā)環(huán)境。無線收發(fā)模塊同樣選擇TI 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CC2430 芯片，它集成了一個(gè)2.4 GHz 的射頻收發(fā)器以及一個(gè)8 位單片機(jī)共同組成，能夠提供以ZigBee 為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM 波段應(yīng)用，且具有功耗低、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。傳感器選擇中拓公司設(shè)計(jì)的MSJ-202 型礦用錨桿測(cè)力傳感器進(jìn)行圍巖壓力數(shù)據(jù)采集，該傳感器測(cè)力量程為0～400 kN，測(cè)量誤差小于滿量程的1.0%，礦用本質(zhì)安全，信號(hào)穩(wěn)定可靠。

2.2 壓力監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)來源主要通過布置在錨桿尾部錨桿測(cè)力傳感器獲得，在測(cè)力傳感器的中空鋼筒結(jié)構(gòu)內(nèi)有3 個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)，當(dāng)錨桿受載時(shí)迫使中空鋼筒產(chǎn)生軸向的變形時(shí)，內(nèi)嵌的3 個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)伴隨鋼筒產(chǎn)生同步的變形，引起應(yīng)變計(jì)的振弦產(chǎn)生變化，由此改變了振弦的振動(dòng)頻率，以電壓形式輸出。

傳感器采集得到電壓形式的振動(dòng)頻率信號(hào)，通過傳感器線纜導(dǎo)入傳感器節(jié)點(diǎn)外圍電路到達(dá)單片機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算、轉(zhuǎn)化得到中空鋼筒變形的應(yīng)變量，進(jìn)一步利用標(biāo)定系數(shù)求出錨桿受到的圍巖壓力，由無線收發(fā)模塊將測(cè)到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，利用RF 模塊進(jìn)行發(fā)送，在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸，最終匯集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收、匯集，轉(zhuǎn)化將數(shù)據(jù)整合到上位機(jī)應(yīng)用層，上位機(jī)應(yīng)用層依據(jù)軟件程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算、并對(duì)掘進(jìn)巷道壓力情況進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，在壓力異常情況下還可自動(dòng)發(fā)出聲光警報(bào)。單片機(jī)的電源電路如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)的電源電路

3 通訊模塊設(shè)計(jì)

煤礦掘進(jìn)巷道的圍巖壓力監(jiān)測(cè)，必須保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線，需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)。其中，傳感器采集的電壓模擬量信息需要經(jīng)過放大、AD 變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并進(jìn)行濾波處理，才能根據(jù)電壓信息的獲得振動(dòng)頻率，依據(jù)傳感器參數(shù)求出壓力值。

傳感器節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)通過串行外設(shè)接口（SPI）實(shí)現(xiàn)與無線收發(fā)模塊CC2430 實(shí)現(xiàn)同步通訊連接，采用主從方式，MSP430 作為主設(shè)備，CC2430 作為從設(shè)備，借助4 個(gè)管腳完成兩者之間的全雙工高速通訊，利用其中兩條線路完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，其余兩條線路一條用于時(shí)鐘傳輸，另一條用于從設(shè)備選擇，此外CC2430 還利用4 個(gè)引腳表示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。MSP430 與無線收發(fā)模塊CC2430 的SPI 通訊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)基于Zigbee無線通訊協(xié)議完成自組網(wǎng)，數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，最終匯集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)基于RS-485 總線協(xié)議將匯集的壓力數(shù)據(jù)最終傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)測(cè)應(yīng)用層。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

圖3 SPI 通訊結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件程序完成數(shù)據(jù)的接收、預(yù)處理、運(yùn)算轉(zhuǎn)化等一系列功能。本文利用LAR Embedded workbench 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)開發(fā)，該工具集成功能完善、操作簡(jiǎn)便擁有廣泛的程序源代碼，可使開發(fā)設(shè)計(jì)周期大大減短，是目前工業(yè)界廣泛應(yīng)用的嵌入式開發(fā)工具。通過與相關(guān)調(diào)試器、仿真器搭配，幫助開發(fā)者較快完成對(duì)MCU 的程序設(shè)計(jì)、調(diào)試、測(cè)試等工作。通過將MSP430 以及CC2430 通過外圍接口電路與電腦連接，在LAR 中完成對(duì)編譯環(huán)境設(shè)置、工作區(qū)工程創(chuàng)建后，基于C 語言完成程序編程、協(xié)議棧（Z-Stack）函數(shù)的調(diào)用并配置調(diào)試器和仿真器在線完成軟件程序的編譯連接仿真調(diào)試工作。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件主程序工作流程如圖4 所示。

5 結(jié)論

1）該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，基于Zigbee 無線通訊技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)以及編程理論開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖壓力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警。

2）該系統(tǒng)具有自動(dòng)化水平高、可視化、靈活可靠等優(yōu)勢(shì)，可大大提高煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減少工人的工作量保障煤礦生產(chǎn)穩(wěn)定與安全。

圖4 軟件主程序流程圖