基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的煤礦頂板壓力監測系統

近年來(lái)我國煤礦安全事故時(shí)有發(fā)生，安全形勢十分嚴峻。在采礦生產(chǎn)過(guò)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定性差，當強大的地壓傳遞在頂板或兩側時(shí)，使巖石遭受破壞而引發(fā)。為了預防冒頂事故的發(fā)生，應該掌握礦井頂板壓力規律。通過(guò)實(shí)時(shí)監測頂板壓力的變化，可以研究礦井頂板壓力的規律，從而采取預防措施，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)境比較復雜，巷道內有瓦斯、甲烷、煤塵等可燃性氣體，因此設備必須要防爆、防塵。同時(shí)采煤機等一般都是大功率的設備，在運行和啟停過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生較強的電磁干擾，因此，采用有線(xiàn)方式傳輸信號時(shí)，必須做好信號的屏蔽以及遠距離傳輸信號的衰減等問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用2.4 GHz無(wú)線(xiàn)通信方式傳輸數據，無(wú)需復雜的布線(xiàn)，且系統具有極強的抗干擾性。因此，本系統采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)作為頂板壓力數據采集的終端，采用無(wú)線(xiàn)方式將數據傳送到匯聚節點(diǎn)，匯聚節點(diǎn)采用有線(xiàn)通信方式將采集到的數據通過(guò)傳輸接口傳輸至地面的管理監控站，實(shí)現頂板壓力的實(shí)時(shí)監控。系統框圖如圖1所示。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)介

　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )[2-3]WSN(Wireless Sensor Net)是指在一定區域內部署一定數量的具有無(wú)線(xiàn)通信與計算能力的微小傳感器節點(diǎn)，這些節點(diǎn)通過(guò)自組織方式構成能根據環(huán)境自主完成制定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò )系統。傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)間采用無(wú)線(xiàn)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(guò)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使用戶(hù)遠程訪(fǎng)問(wèn)。WSN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )，節點(diǎn)可以隨處移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò )具有無(wú)中心、自組織以及動(dòng)態(tài)拓撲組織功能等特點(diǎn)。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)

傳感器節點(diǎn)(終端節點(diǎn))是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本單元，具有數據采集、處理以及傳送等功能，本系統中節點(diǎn)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

　本系統采用GD-307型礦用頂板壓力傳感器,該傳感器是監控礦井工作面的頂板壓力變化的專(zhuān)用儀表，能自動(dòng)將工作面的頂板下沉轉變?yōu)闃藴孰娦盘栞斔徒o關(guān)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(jiǎn)介

CC2430[4]是專(zhuān)門(mén)針對IEEE802.15.4和ZigBee應用而設計的片上系統(SoC)，可以構成低成本的ZigBee節點(diǎn)。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模數轉換口，1個(gè)802.15.4媒體存取控制（MAC）定時(shí)器，一個(gè)通用16 bit和2個(gè)8 bit定時(shí)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。

2.3 節點(diǎn)硬件設計[5]

　本系統采用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(shí)，輸出電壓為0.36 V，當輸入電流信號為10 mA時(shí)，輸出電壓為3.6 V。P0_0為轉換電壓輸出端，接CC2430模數轉換通道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的系統時(shí)鐘上，32 MHz 8分頻,得到4 MHz的時(shí)鐘，調制器和采樣過(guò)濾器的時(shí)基為4 MHz。ADC轉換所需的時(shí)間取決于所選的采樣頻率。轉換時(shí)間可由下式給定：Tconv=(采樣頻率+16）×0.25 μs。故ADCCON2控制字為：01000000。轉換后的數據實(shí)時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至匯聚節點(diǎn)，也可以存儲在本地存儲器中AT24LC08中,等到網(wǎng)絡(luò )空閑時(shí)發(fā)送。