基于ZigBee的新型礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究

張金薇，徐煥超

（中國礦業(yè)大學 機電與信息工程學院，北京100083）

煤炭行業(yè)是我國重要的基礎能源行業(yè)，在我國能源供給結構中占有重要的戰(zhàn)略地位。這幾年，我國煤礦事故時有發(fā)生，給人們的生命、財產都帶來了巨大的損失。因此礦井安全受到廣泛的關注，如何對礦山壓力進行實時檢測也是人們關注的焦點。

現有的礦井檢測系統(tǒng)多通過有線傳感器網絡檢測固定地點的礦下巷道頂板壓力。有線通信方式布線復雜、成本昂貴，在礦井建設初期如果規(guī)劃不完善，可能遺漏監(jiān)測點。而新型無線礦山壓力傳感器可隨時增加/減少監(jiān)測節(jié)點并進行組網，使前期規(guī)劃更簡捷。由于礦井巷道和工作面是會進行動態(tài)延伸變化的，而有線傳感器網絡的結構是相對固定，只有無線傳感器才能靈活地變動組網方式、放置位置，更好地適應礦井巷道的變化方式。在煤礦開采過程中，由于對某區(qū)域的探索性開采而形成長度無法預知的探測巷道，探測巷道隨時可能被廢棄或者增加掘進深度，有線傳感器網絡容易增加開采成本并且造成資源的浪費。無線傳感器則可回收重復利用，節(jié)約成本，減少布線費用。

目前雖然有些礦井壓力監(jiān)測設備采用了紅外無線傳輸的方式采集壓力數據，但紅外線傳輸一旦在傳輸線路上受到阻擋就無法正確傳輸數據。本文選用ZigBee無線電波傳輸，保證了傳輸的可靠性。ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本的無線網絡技術，具有延時短、免許可無線通信頻段、多種組網方式、大容量網絡等優(yōu)勢。將壓力傳感器安裝于各檢測點，實時檢測巷道頂板壓力，并通過無線傳感器網絡通信技術將數據發(fā)送至匯聚節(jié)點（基站）。匯聚節(jié)點與監(jiān)控管理中心通過公共網絡等進行通信，通過這種方式用戶對收集到的數據進行處理分析，以便做判斷或者決策。

1 功能綜述

我國礦井地質構造復雜，并隨著開采巷道的加深，出現多種頂板問題。隨著時間推移，可能出現頂板下沉、兩幫鼓出、工作面冒頂垮落等問題[1]。本文設計的礦山壓力檢測系統(tǒng)以ZigBee技術做為無線傳輸的基礎。

首先選用GD-307型礦用頂板壓力傳感器安置在各監(jiān)測節(jié)點。該傳感器實時采集頂板壓力與位移量，并按時將采集數據轉換為標準電信號輸出。然后各檢測節(jié)點進行無線組網，確定各節(jié)點的地理位置，將傳輸進來的數據與閾值進行比較。若發(fā)現檢測量超過閾值，馬上啟動蜂鳴器進行警報，再將檢測量與地理位置、時間等數據打包，傳送到上位機。如檢測量未超過閾值，則直接將數據打包傳送到上位機。等待是否上位機有回復命令，若有則執(zhí)行命令。沒有則繼續(xù)以上程序。

2 硬件設計

本系統(tǒng)的硬件設計主要兼顧了系統(tǒng)的安全性、實時性和可靠性幾個方面。選用專業(yè)礦下傳感器，隔爆且靈敏度高。

本文所設計的新型無線礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)由礦山壓力監(jiān)測節(jié)點和上位機組成，眾傳感器可以獨立、可靠地工作。無線礦山壓力傳感器位于各個監(jiān)測點，實時監(jiān)測礦井巷道頂板壓力，對比設置的壓力閾值。若超過閾值，則及時發(fā)出警報，并將所得到的信息通過ZigBee無線網絡發(fā)送給上位機[2-3]，使上位機可以儲存信息，便于對事故的監(jiān)控和預測。

無線瓦斯監(jiān)測傳感器硬件結構如圖1所示，由數據采集單元、微控制器單元和通信單元、電源單元4部分組成。

圖1 無線瓦斯監(jiān)測傳感器硬件結構

本設計選用GD-307型礦用頂板壓力傳感器以及GDY-306型礦用頂板位移傳感器作為傳感器數據采集器。以上兩種傳感器均為礦用本質安全型，并具有體積較小、使用簡便、準確度高、工作穩(wěn)定、測量范圍大等優(yōu)勢。完全符合礦用電子設備要求，適用于工控場合等復雜環(huán)境的監(jiān)測[4-5]。

本設計中采用赫利訊公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)CC2430，具有防爆、功耗小、工作電壓低、頻率高、抗干擾能力強的特點。符合因煤礦井下工作環(huán)境復雜、信號衰減嚴重、干擾因素繁多而對電氣設備提出的較高的安全要求[6-10]。

本設計的微處理器單元采用STC12C5410單片機，處理速度比傳統(tǒng)的51單片機快8～12倍，且價格低廉、功耗超低，具有寬電壓范圍和超強抗干擾能力[11]。由于礦下條件復雜，對設備要求較高，使用該單片機基本可以符合靈敏度高、低功耗、高效率等原則。

3 軟件設計

以硬件電路為基礎，軟件主要實現傳感器數據采集及無線收發(fā)、節(jié)點定位、節(jié)點自動加入網路、數據顯示等功能。

（1）傳感器數據采集與處理。通過傳感器采集礦井巷道頂板的壓力，轉換成數字量。

（2）節(jié)點定位。確定該礦山壓力傳感器所在位置，在礦山壓力超標時能準確地確定事故地點。

（3）節(jié)點自動加入網絡。當有新的壓力傳感器節(jié)點加入時，可自動搜索并加入網路，當某壓力傳感器節(jié)點撤離后自動從網絡中刪除。

（4）發(fā)出警報。當監(jiān)測點壓力值超標時及時發(fā)出危險警報，以最快的速度警示井下員工撤離。

（5）無線收發(fā)。將檢測到的頂板信息通過ZigBee模塊發(fā)送至上位機，同時將上位機命令發(fā)送至傳感器。

該監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序流程圖

本文針對當前礦山壓力有線監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，引入無線傳感器組網技術，將基于ZigBee技術的無線傳感器網絡技術應用于礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)中[3]，開發(fā)出了一套適于礦山井下使用的無線壓力傳感器系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于ZigBee技術，實時采集礦井巷道各點壓力，并通過ZigBee節(jié)點傳到上位機，使井下安全得到保障，極大地減少了人員傷亡和財產損失。

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