頂板壓力數(shù)據的無線傳輸方式比較

衛(wèi)斌峰 崔建明

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

1 引言

近年來，我國煤礦安全事故頻繁發(fā)生，其中主要是瓦斯和頂板事故，煤礦頂板事故對礦井安全生產危害極大。從我國煤礦事故統(tǒng)計來看，頂板事故一直居各類事故之首，使礦山壓力的觀測和控制成為實現(xiàn)礦山生產科學管理、減少頂板事故必不可少的基礎工作[1]。

目前我國的礦壓觀測儀器主要存在的問題：傳統(tǒng)的機械式、液壓式礦壓觀測儀精度低，數(shù)據讀取和輸入計算機不便，工作效率低下；而較先進的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，配置復雜，操作不方便，并且這種系統(tǒng)常采用電話線和電纜等有線的通信方式，將壓力信息傳送到井上進行觀測和分析。這種有線數(shù)據傳輸網絡，雖然有傳輸數(shù)據穩(wěn)定，不易受到外界干擾等優(yōu)點，但隨著井下采煤工作面的推進，這種有線的通信方式在布線、維護上勢必會更加困難。因此有必要考慮采用智能采集無線傳輸方案，本文重點討論了目前常用的各種無線傳輸方式，并對其進行了可行性分析。

2 煤礦壓力智能采集裝置的硬件設計

煤礦壓力數(shù)據采集裝置的系統(tǒng)框圖如圖 1所示，該系統(tǒng)主要由以下部分組成：電源電路、壓力數(shù)據采集、數(shù)據存儲電路、無線數(shù)據傳輸電路、系統(tǒng)報警電路。它主要完成兩個任務：一是將壓力傳感器采集回來的壓力數(shù)據進行A/D轉換，并將轉換結果進行數(shù)字濾波、線性處理和標度變換，并進行報警判斷和處理，最后將數(shù)據存儲起來供通信使用；二是完成與上位機的通信。

圖1 煤礦壓力數(shù)據采集裝置系統(tǒng)框圖

微控制器是整個煤礦壓力數(shù)據采集裝置的核心，它既要對測量的頂板壓力進行數(shù)據的運算和數(shù)字處理，又要對各種外部設備進行控制。因此在設計過程中我們選用了Philips公司的ARM7系列微控制器LPC2131。壓力數(shù)據采集是通過壓力傳感器實現(xiàn)的。根據實際要求，壓力傳感器輸入的壓力信號范圍為0～60MPa；輸出信號范圍為0～3.3V的電壓信號，這樣輸出的電壓信號可直接進行A/D轉換，如果不滿足，可以通過信號調理電路進行信號轉換。由于LPC2131只有8路10位的A/D轉換器，因此每個采集裝置最多能對8個壓力傳感器進行數(shù)據采集。

存儲芯片選用ATMEL公司的E2PROM存儲芯片AT24C32A，該芯片采用400kHz的I2C接口，其存儲容量為4096×8bit，即4k字節(jié)。若采樣間隔為5min時，裝置每小時采樣12次，每小時存儲的壓力數(shù)據所占用的存儲空間為：12×20=240字節(jié)，最長讀取數(shù)據時間為：4096÷240=17.07h，即必須在17h內讀取一次數(shù)據。若采樣時間間隔長一些，那讀取時間可以更長，滿足了所采集數(shù)據容量的要求。

3 煤礦壓力智能采集裝置的軟件設計

煤礦壓力智能采集裝置的軟件設計包括以下幾部分：系統(tǒng)初始化、實時時鐘設置、壓力數(shù)據采集、數(shù)字濾波、數(shù)據存儲、無線數(shù)據傳輸?shù)?。由于該系統(tǒng)采用低功耗設計，所有功能子程序都在中斷中完成。當系統(tǒng)初始化后，將微控制器LPC2131的功率控制寄存器設為空閑模式，系統(tǒng)自動進入低功耗狀態(tài)。當系統(tǒng)有中斷時，微控制器LPC2131被喚醒，調用相應的程序進行處理。

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示，數(shù)據采集的中斷處理流程圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

圖3 數(shù)據采集的中斷處理流程圖

4 無線傳輸方式的比較

4.1 藍牙通信

藍牙技術是一種采用微波技術取代傳統(tǒng)網絡中錯綜復雜的連接電纜實現(xiàn)固定設備和可移動設備的互聯(lián)而建立起來的特殊的短程無線通信，它具有靈活、快速、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且不限制監(jiān)控設備的具體位置，使其在社會各個領域特別是監(jiān)控領域有很廣泛的應用。

藍牙工作在2.4GHz，對于這一頻率在礦井中的傳輸，許多學者已經進行了多次實驗，實驗表明，100dBm的功率可以有效地傳輸100m，同時空間電磁波對通信的干擾很小，不影響通信質量[2]。同時，藍牙技術可在有效范圍內透過障礙物進行連接，而且沒有方向要求，能夠實現(xiàn)點對多點的通信，組網方便。

其缺點在于：傳輸速率不高（最高為1Mbps）、安全性不高。

4.2 紅外數(shù)據傳輸

紅外通信技術是目前在世界范圍內廣泛使用的一種無線連接技術，現(xiàn)已被眾多的硬件和軟件平臺所支持。它主要通過數(shù)據電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換來實現(xiàn)無線的數(shù)據收發(fā)，是一種點對點的數(shù)據傳輸協(xié)議。

其優(yōu)點在于：具有小角度（30度錐角以內）、短距離、點對點直線數(shù)據傳輸；保密性好；傳輸速率較高可達16Mbps[3]。

缺點在于其通信距離短（0～1m）；通信過程中不能移動；遇到障礙物時，通信會中斷；只能點對點傳輸，因此功能單一、擴展性差。

4.3 射頻技術

射頻技術（RF，Radio Frequency）是一種無線電通信技術，其利用電磁波為載波來傳輸信息，它是一種在一個區(qū)域范圍內的任何地方，在各種電子設備之間實現(xiàn)無線通信的開放性技術工業(yè)標準。射頻技術使用幾個特定頻率中的一個頻率傳輸數(shù)據，相鄰網絡使用不同的頻率。目前使用的射頻芯片大多工作在 433/868/915/2400MHz頻段，工作時，在MCU的控制下，通過無線射頻收發(fā)芯片將數(shù)據直接進行數(shù)據傳輸。

射頻技術在 2.4GHz頻段的數(shù)據傳輸速率為250kbit/s，在915MHz為40kbit/s，在868MHz頻段為20kbit/s。有效傳輸范圍為10～75m，可以實現(xiàn)點到多點的傳輸[4]。功耗和成本都相對藍牙較低。

4.4 GPRS通信技術

基于現(xiàn)有無線網絡實現(xiàn)傳輸點移動同時數(shù)據的遠距離傳輸，就是利用現(xiàn)有移動運營商已經建立好的覆蓋全國的無線網絡，這種傳輸方式具有方便、靈活、穩(wěn)定、傳輸距離遠、不受地點限制、價格適中等特點。

GPRS優(yōu)點在于：數(shù)據傳輸?shù)目煽啃杂休^高的保障；從遠端到管理中心的傳輸延時小，適于實時信息傳輸；通信速率高，最高理論速率可達到171.2kbps。其缺點在于：管理中心的GPRS接入方式相對復雜，基本不可以采用低成本的用戶終端方式接入，遠程通信終端的成本相對較高[5]。

綜上所述，各種無線設備都有各自的優(yōu)劣，都有其廣泛的用途，但適合煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，要求抗干擾能力強，穿透能力強，傳輸距離盡可能的遠。因此我們考慮采用工作頻率為 2.4GHz的無線射頻技術，通過無線中繼的方式[6]來實現(xiàn)遠距離傳輸。

5 結論

本文針對目前煤礦壓力檢測系統(tǒng)存在的問題，提出了對頂板壓力的智能采集和無線傳輸方案，并對煤礦頂板壓力智能采集裝置進行了硬件和軟件設計，同時將目前廣泛使用的各種無線傳輸方式進行了比較，指出了各自的優(yōu)劣，最后決定采用無線射頻技術加中繼的方式來實現(xiàn)井下壓力數(shù)據的無線傳輸。

[1] 耿獻文.礦山壓力測控技術[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2002:62-63,140.

[2] 林鄧偉,周超.基于藍牙技術的煤礦報警監(jiān)控系統(tǒng)的應用設計[J].工礦自動化,2006.6.

[3] 魏小艷,李軍.紅外通訊技術與藍牙技術比較.電子元器件應用[J].華北水利水電學院學報,2007(4).

[4] 龍承志,馬玉秋,沈樹群.基于低速率的短距離無線通信網絡新技術—ZigBee[J].數(shù)據通信,2005(1).

[5] 辛艷輝,袁合才.遠程監(jiān)控技術的應用研究進展[J].華北水利水電學院學報, 2009(4).

[6] 韋日華,張春,王志華.一種點對多點無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)的設計[J].電訊技術,2003(4):29-33.