基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要： 設(shè)計了煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點作為頂板壓力數(shù)據(jù)采集的終端，采集頂板的壓力變化數(shù)據(jù)。各節(jié)點采用基于IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議棧的無線方式將數(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USB傳輸接口傳輸至地面的管理監(jiān)控站，實現(xiàn)對礦井頂板壓力數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； CC2430； CH341T； AU9254； C8051F320

近年來我國煤礦安全事故時有發(fā)生，安全形勢十分嚴(yán)峻。在采礦生產(chǎn)過程中最常發(fā)生的就是冒頂事故。冒頂是由于煤礦巖石的穩(wěn)定性差，當(dāng)強大的地壓傳遞在頂板或兩側(cè)時，使巖石遭受破壞而引發(fā)。為了預(yù)防冒頂事故的發(fā)生，應(yīng)該掌握礦井頂板壓力規(guī)律。通過實時監(jiān)測頂板壓力的變化，可以研究礦井頂板壓力的規(guī)律，從而采取預(yù)防措施，有效地防止事故的發(fā)生[1-2]。
由于煤礦綜采工作面的環(huán)境比較復(fù)雜，巷道內(nèi)有瓦斯、甲烷、煤塵等可燃性氣體，因此設(shè)備必須要防爆、防塵。同時采煤機等一般都是大功率的設(shè)備，在運行和啟停過程中會產(chǎn)生較強的電磁干擾，因此，采用有線方式傳輸信號時，必須做好信號的屏蔽以及遠(yuǎn)距離傳輸信號的衰減等問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用2.4 GHz無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，無需復(fù)雜的布線，且系統(tǒng)具有極強的抗干擾性。因此，本系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(luò)簡介
　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2-3]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(gòu)成能根據(jù)環(huán)境自主完成制定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使用戶遠(yuǎn)程訪問。WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨處移動，網(wǎng)絡(luò)具有無中心、自組織以及動態(tài)拓?fù)浣M織功能等特點。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點
傳感器節(jié)點(終端節(jié)點)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)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[4]是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用而設(shè)計的片上系統(tǒng)(SoC)，可以構(gòu)成低成本的ZigBee節(jié)點。CC2430集成了領(lǐng)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(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧。CC2430具有8路輸入8~14 bit模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計[5]
　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(zhuǎn)換參考電壓也設(shè)為3.6 V，因此須將電流信號轉(zhuǎn)換為0~3.6 V的電壓信號，轉(zhuǎn)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(dāng)輸入電流信號為1 mA時，輸出電壓為0.36 V，當(dāng)輸入電流信號為10 mA時，輸出電壓為3.6 V。P0_0為轉(zhuǎn)換電壓輸出端，接CC2430模數(shù)轉(zhuǎn)換通道0(即P0_0端)。CC2430中輸入輸出端口P0_0~P0_7可設(shè)置為模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。

　CC2430應(yīng)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(zhuǎn)換器的狀態(tài)、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換通道等信息。ADCCON3寄存器控制額外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換所需的時間取決于所選的采樣頻率。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)實時通過無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)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(yīng)用單極子、螺旋或環(huán)狀天線。在硬件設(shè)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(yīng)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[6]（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(yīng)的地址號存儲在相應(yīng)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(fù)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(zhuǎn)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(luò)信號，用于將普通的串口設(shè)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(shè)置為TXD，P0_2設(shè)置為RXD，因此，CC2430控制寄存器需作相應(yīng)的設(shè)置。具體設(shè)置為：外設(shè)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?！　?/p>

4 傳輸接口
傳輸接口[6-7]安裝在地面監(jiān)測站和無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)，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(dāng)接收到某一地址的頂板壓力數(shù)據(jù)接近或超過預(yù)先設(shè)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)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(yīng)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(yīng)地址的頂板壓力數(shù)據(jù)。在地面中心站中編制相應(yīng)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(biāo)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(yù)防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學(xué)的依據(jù)。
本文設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井頂板壓力監(jiān)測控制系統(tǒng)，并設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)可實現(xiàn)對礦井下各頂板壓力的實時監(jiān)測，為預(yù)防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學(xué)的依據(jù)。同時本系統(tǒng)還可以添加相應(yīng)的傳感器監(jiān)測井下作業(yè)區(qū)的溫濕度、氧含量、有毒有害氣體含量、粉塵含量等多種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，這將為煤礦及其相關(guān)行業(yè)的安全生產(chǎn)提供可靠的分析和保障，具有重大的經(jīng)濟及社會意義。
參考文獻
[1] 趙智民，崔建明.智能式頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表， 2009(2):63-65.
[2] 趙洪磊,王英龍,張先毅.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2008(12)：85-87.
[3] 任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報, 2003(14):1283-1285.
[4] TEXAS Instruments.CC2430 Data Sheet(rev. 2.1)SWRS036F.2008.
[5] 王鴻建,馮小龍,張劍英,等.基于PIC的煤礦液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 煤炭工程,2009(10):117-119.
[6] Alcor Micro Corp. AU9254 R2 USB Hub Controller Technical Reference Manual.2002.
[7] Silicom Laboratories. C8051F320/1 Full Speed USB, 16k ISP FLASH MCU Family. 2009.