近些年，我國煤礦安全事故頻繁發(fā)生，其中主要是頂板和瓦斯事故，從煤礦事故統(tǒng)計來看，頂板事故一直居各類事故之首。因此，對于煤礦巷道頂板的壓力監(jiān)測是一項十分必要的工作，如何實時、有效的監(jiān)測巷道頂板的壓力成為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的研究重點。若能及時準確地掌握巷道或工作面某一區(qū)域的壓力變化情況，便可將人員傷亡和經(jīng)濟損失降至最低。另外，實時采集巷道中的頂板壓力數(shù)據(jù)，也可根據(jù)其壓力變化趨勢對該區(qū)域可能出現(xiàn)的事故做出預測。

　　對于煤礦巷道頂板的壓力監(jiān)測是一項十分必要的工作。由于低成本、低功耗、高容錯、自組織、多功能等不同于其他無線網(wǎng)絡的特性，使得無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，突發(fā)事件處理和移動目標跟蹤三大類應用中，具有傳統(tǒng)系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢。本文針對目前的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的不足，結合無線傳感器網(wǎng)絡的特點。采用無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點作為頂板壓力數(shù)據(jù)采集的終端，采用無線方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點采用有線通信方式將采集到的數(shù)據(jù)通過傳輸接口傳輸至地面的管理監(jiān)控站，實現(xiàn)頂板壓力的實時監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡簡介

　　無線傳感器網(wǎng)絡WSN（Wireless Sensor Net）是指在一定區(qū)域內(nèi)部署一定數(shù)量的具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織方式構成能根據(jù)環(huán)境自主完成制定任務的分布式智能化網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點間采用無線通信，通信距離很短，一般采用多跳（multi-hop）方式。傳感器網(wǎng)絡可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網(wǎng)關連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使用戶遠程訪問。WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，節(jié)點可以隨處移動，網(wǎng)絡具有無中心、自組織以及動態(tài)拓撲組織功能等特點。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點

　　傳感器節(jié)點（終端節(jié)點）是無線傳感器網(wǎng)絡的基本單元，具有數(shù)據(jù)采集、處理以及傳送等功能，本系統(tǒng)中節(jié)點設計采用TI公司的CC2430作為核心器件。

　　2.1 頂板壓力檢測傳感器

　　本系統(tǒng)采用GD-307型礦用頂板壓力傳感器，該傳感器是監(jiān)控礦井工作面的頂板壓力變化的專用儀表，能自動將工作面的頂板下沉轉變?yōu)闃藴孰娦盘栞斔徒o關聯(lián)設備。GD-307輸入電壓為直流9 V~18 V,測量范圍為0~10 MPa,基本誤差為2%,輸出信號為1 mA~5 mA,傳輸距離1 500 m.

　　2.2 CC2430簡介

　　CC2430是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用而設計的片上系統(tǒng)（SoC），可以構成低成本的ZigBee節(jié)點。CC2430集成了領先的CC2420射頻（RF）收發(fā)器和增強的8051微處理器，32/64/128 KB的閃存以及業(yè)界領先的ZigBee協(xié)議棧。CC2430具有8路輸入8~14 bit模數(shù)轉換口，1個802.15.4媒體存取控制（MAC）定時器，一個通用16 bit和2個8 bit定時器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。

　　2.3 節(jié)點硬件設計

　　本系統(tǒng)采用GD-307型礦用頂板壓力傳感器，該傳感器輸出為1 mA~5 mA信號，CC2430電源電壓為3.6 V,ADC轉換參考電壓也設為3.6 V,因此須將電流信號轉換為0~3.6 V的電壓信號，轉換電路如圖2所示。AD_IN為電流輸入信號，理想運放的虛短和虛斷，輸出電壓為。當輸入電流信號為1 mA時，輸出電壓為0.36 V,當輸入電流信號為10 mA時，輸出電壓為3.6 V.P0_0為轉換電壓輸出端，接CC2430模數(shù)轉換通道0（即P0_0端）。CC2430中輸入輸出端口P0_0~P0_7可設置為模數(shù)轉換通道。

　　CC2430應用如圖3所示。ADC有三種控制寄存器：ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3.ADCCON1寄存器控制ADC轉換器的狀態(tài)、轉換起始以及觸發(fā)脈沖等信息。ADCCON2寄存器控制選取參考電壓、采樣頻率以及A/D轉換通道等信息。ADCCON3寄存器控制額外轉換的通道號碼，參考電壓、采樣頻率等信息，其編碼和ADCCON2是完全一樣。ADCCON2寄存器控制字如表1.

　　本系統(tǒng)ADC通道為AIN0（P0_0），參考電壓輸入AVDD_SOC引腳接3.6 V,作為ADC轉換的參考電壓。ADC運行在32 MHz的系統(tǒng)時鐘上，32 MHz 8分頻，得到4 MHz的時鐘，調(diào)制器和采樣過濾器的時基為4 MHz.ADC轉換所需的時間取決于所選的采樣頻率。轉換時間可由下式給定：Tconv=（采樣頻率+16）×0.25 μs.故ADCCON2控制字為：01000000.轉換后的數(shù)據(jù)實時通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至匯聚節(jié)點，也可以存儲在本地存儲器中AT24LC08中，等到網(wǎng)絡空閑時發(fā)送。

　　CC2430內(nèi)嵌基于IEEE802.15.4制式的無線收發(fā)系統(tǒng)。CC2430內(nèi)置的CPU通過一組命令控制無線電的運行。CC2430共有9個命令字，編程一段簡單的程序，CPU將程序傳輸至無線電控制寄存器CSMA-CA/命令選通處理器（CSP），從而控制無線電的運行。本系統(tǒng)終端設計有聲光報警及數(shù)據(jù)顯示功能，圖3中未畫出。

　　2.4 天線

　　CC2430在2.4 GHz頻段上使用直接序列擴展頻譜（DSSS）來擴展輸出功率，從而使通信鏈路具有很強的抗干擾性，即使在嘈雜的環(huán)境中也能運行。CC2430可使用不同類型的天線。常用的是偶極子的差分天線，λ/2偶極子天線長度計算公式為：L=12 250/f.其中f的單位是MHz,長度單位是cm.2.45 GHz的天線必須是5.8 cm,每邊為2.9 cm.如果用于短距離通信也可以應用單極子、螺旋或環(huán)狀天線。在硬件設計中，須使用雙面印刷電路板，板面必須很好地鋪地。布置元件時應盡可能靠近，外接元件越小越好。元件接地時，需單獨接地，切勿星狀接地，形成環(huán)流，影響系統(tǒng)的運行。

　　3 匯聚節(jié)點

　　匯聚節(jié)點（如圖1所示）采用無線接收、有線發(fā)送的方式。匯聚節(jié)點的主控制芯片為CC2430.CC2430無線接收各終端節(jié)點發(fā)送過來的礦井頂板地址數(shù)據(jù)和頂板壓力數(shù)據(jù)，將其按相應的地址號存儲在相應的地址單元。由于匯聚節(jié)點接收的數(shù)據(jù)量較大，本系統(tǒng)采用AT24C256作為數(shù)據(jù)存儲器，控制圖與圖3相似，不再重復給出。匯聚節(jié)點將接收到的地址數(shù)據(jù)和頂板壓力數(shù)據(jù)整理打包，通過USB口將數(shù)據(jù)發(fā)送至傳輸接口。CH341T是一個USB總線的轉接芯片，通過USB總線提供串口、打印口或者并口。在串口方式下，CH341T 提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號以及常用的MODEM 聯(lián)絡信號，用于將普通的串口設備直接升級到USB 總線。在并口方式下，CH341T 提供了EPP 方式或者MEM方式的8 bit并行接口，用于在不需要單片機/DSP/MCU 的環(huán)境下，直接輸入輸出數(shù)據(jù)。CH341T與CC2430接口圖如圖4所示。圖4中P0_3設置為TXD,P0_2設置為RXD,因此，CC2430控制寄存器需作相應的設置。具體設置為：外設控制寄存器PERCFG=XXXXXXX0;輸入配置寄存器ADCCFG=XXXX00X1;端口功能選擇器P0SEL=XXXX111.

　　4 傳輸接口

　　傳輸接口安裝在地面監(jiān)測站和無線傳感網(wǎng)絡匯聚節(jié)點之間，將匯聚節(jié)點傳輸來的煤礦頂板的地址數(shù)據(jù)和頂板壓力數(shù)據(jù)通過USB口傳輸至上位管理主機中。由于傳輸接口與地面監(jiān)測站之間距離較遠，因此為了確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，需要對USB通信加中繼，提高其傳輸能力。同時，傳輸接口對接收到數(shù)據(jù)進行處理，當接收到某一地址的頂板壓力數(shù)據(jù)接近或超過預先設置的數(shù)據(jù)時，發(fā)出聲光報警。因此，從匯聚節(jié)點傳輸?shù)腢SB信號需進行增強和分路，如圖5所示。AU9254可實現(xiàn)USB 1路到4路的分路，同時可以從RJ-45口實現(xiàn)遠距離傳輸。

　　傳輸接口采用C8051F320為主控芯片對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。C8051F320系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)，CIP-51內(nèi)核具有標準8052的所有外設部件，片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試。C8051F320的USB接口符合USB2.0版規(guī)范，可以實現(xiàn)全速（12 Mb/s）或低速（1.5 Mb/s）的串行通信。C8051F320與USB接口圖如圖6所示。

　　5 地面中心站

　　地面中心站接收由傳輸接口通過USB傳輸來的煤礦頂板的地址數(shù)據(jù)和頂板壓力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行相應規(guī)劃和處理，在監(jiān)控中心顯示屏中實時顯示煤礦頂板地址以及相應地址的頂板壓力數(shù)據(jù)。在地面中心站中編制相應的管理軟件，將接收的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過鼠標點擊某一地址，就可以查閱該地址處頂板壓力的歷史數(shù)據(jù)曲線和安全數(shù)據(jù)，及時發(fā)出事故報警橙色信息，為預防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學的依據(jù)。

　　本文設計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的礦井頂板壓力監(jiān)測控制系統(tǒng)，并設計了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點頂板壓力檢測、無線傳輸電路。通過無線傳感器網(wǎng)絡可實現(xiàn)對礦井下各頂板壓力的實時監(jiān)測，為預防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學的依據(jù)。

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