礦用無線頂板離層監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

王學(xué)水，劉培順，閆方舉，井維華，郭瀟蔚

（山東科技大學(xué)，山東青島 266510）

礦用無線頂板離層監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

王學(xué)水，劉培順，閆方舉，井維華，郭瀟蔚

（山東科技大學(xué)，山東青島 266510）

利用2.4GHz無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種礦用無線式頂板離層監(jiān)測儀，利用MSP430系列微控制器及nRF24L01+射頻芯片，通過無線方式上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)機(jī)械式和紅外式離層監(jiān)測儀的各種弊端，使得頂板離層位移數(shù)據(jù)的抄收變得簡單、方便、快捷。

頂板離層監(jiān)測儀;無線數(shù)據(jù)采集;2.4GHz;MSP430;nRF24L01+

頂板事故一直是煤礦的多發(fā)事故，而頂板離層冒頂事故占頂板事故相當(dāng)大的比例。頂板離層系指巷道頂板巖層中一點(diǎn)與其上方一定深度內(nèi)巖層中某點(diǎn)的相對位移量，是巷道圍巖變形和破壞的主要形式之一。當(dāng)頂板離層超過一定范圍，即表明頂板處于非穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)措施，否則會導(dǎo)致惡性頂板事故的發(fā)生。

頂板離層監(jiān)測儀 （以下簡稱離層儀）是通過監(jiān)測頂板離層位移量從而監(jiān)測煤礦井下頂板圍巖錨護(hù)程度。最早使用的頂板離層儀為機(jī)械式離層儀，只能人工讀出標(biāo)尺的數(shù)值，讀數(shù)既不直觀又不準(zhǔn)確，而智能化紅外式離層儀不但解決了上述問題，還可通過紅外方式采集和存儲數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計(jì)分析使用。但是，這種儀器易受環(huán)境光線的干擾，抄收時(shí)須保持較高的方向一致性，且不能被遮擋，抄收數(shù)據(jù)的速率也很低，給數(shù)據(jù)抄收帶來了諸多不便。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了無線式頂板離層儀。

1 離層儀的原理設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的以2.4GHz頻段的無線信號為載體傳輸數(shù)據(jù)的無線式離層儀，能夠自動監(jiān)測和記錄數(shù)據(jù)，并把采集數(shù)據(jù)通過無線電載波傳輸?shù)綗o線數(shù)據(jù)采集器上。與傳統(tǒng)的機(jī)械式或紅外采集式離層儀相比，傳輸速率快、抗干擾性強(qiáng)、操作簡單方便，更好地適應(yīng)井下復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，提高了工作效率。離層儀主要包含離層量測量模塊、無線通信模塊、顯示模塊等部分，其原理框圖如圖1。

圖1 無線采集器原理

本設(shè)計(jì)中使用的微控制器為TI公司MSP430系列單片機(jī)，該系列控制器功耗低，非常適合應(yīng)用在電池供電的系統(tǒng)中，且其片上資源豐富，能減少外圍電路，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率。

頂板離層儀的數(shù)據(jù)采集是利用MSP430片上比較器Compare_A和定時(shí)器Timer_A完成。測量結(jié)果按照協(xié)議規(guī)定的格式存儲在存儲器內(nèi)，待接收到使用手持式無線采集器發(fā)來的采集數(shù)據(jù)指令時(shí)，離層儀將數(shù)據(jù)取出并通過無線通信模塊上傳到采集器。

2 離層儀的數(shù)據(jù)采集

礦山頂板圍巖的離層位移量是緩慢變化的，所以對位移量的測量不需要很高的采樣頻率，每間隔5min自動采樣1次，因此，用MSP430單片機(jī)的片上自帶的比較器Compare_A和定時(shí)器Timer_A組成與sigma－delta技術(shù)相似的積分型slope A/D轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)外圍電路中只增加了一個(gè)參考電阻及電容即可實(shí)現(xiàn)對離層位移量的精確測量功能。儀器使用拉線電阻式位移傳感器，拉線變阻器將離層的位移量轉(zhuǎn)換成變阻器的阻值變化量，位移量變化時(shí)變阻器的阻值按照相應(yīng)的比例變化，離層位移量的測量原理示意如圖2.

圖2 位移測量原理示意

測量電阻值時(shí)，微處理器首先控制管腳對電容充電至電源電壓，之后通過標(biāo)準(zhǔn)參考電阻Rref放電，當(dāng)電容上電壓大于微處理器內(nèi)部比較器負(fù)輸入端的參考電壓值Vref時(shí)，比較器輸出高電平至定時(shí)器的捕獲單元，當(dāng)電容上電壓值小于參考電壓值Vref時(shí)，比較器輸出低電平至定時(shí)器的捕獲單元，即當(dāng)電容電壓放電至與參考電壓Vref相同時(shí)，比較器數(shù)據(jù)端參數(shù)一個(gè)由高到低的跳變，微控制器通過定時(shí)器記錄從開始放電到產(chǎn)生跳變的時(shí)間Tref，通過相同的步驟測得通過變阻器放電的時(shí)間Tx。

根據(jù)電容充放電公式V（t）=V0·e－t/RC可以推導(dǎo)出公式

式中，Rx是變阻器待測的阻值;Rref是標(biāo)準(zhǔn)參考電阻的阻值;Tx是通過變阻器放電用的時(shí)間;Tref是通過參考電阻放電用的時(shí)間。

再由拉線變阻器的阻值與位移長度的關(guān)系曲線，就可以換算出此時(shí)的頂板離層位移值。

這種方法的采樣時(shí)間依賴于電容的充放電時(shí)間，與采用A/D轉(zhuǎn)換芯片的方法相比采樣速率較慢，但是對于緩慢變化的離層位移來說，其采樣時(shí)間并不會影響到離層儀的使用。而且除了其內(nèi)部的定時(shí)器和比較器之外，外圍電路只需要一個(gè)參考電阻及電容，電路結(jié)構(gòu)非常簡單，省去了運(yùn)算放大電路及A/D轉(zhuǎn)換電路，降低了整機(jī)的功耗，既簡化了電路結(jié)構(gòu)又降低了儀器成本。

3 離層儀的數(shù)據(jù)傳輸

設(shè)計(jì)中無線通信部分使用了挪威NORDIC的超低功耗單芯片射頻收發(fā)器nRF24L01+。該收發(fā)芯片工作于全球開放的2.4GHz頻段，使用高效的GFSK調(diào)制方式，抗干擾能力強(qiáng)，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)模塊，降低通信數(shù)據(jù)的誤碼率，同時(shí)內(nèi)置有自動應(yīng)答機(jī)制，數(shù)據(jù)包不易丟失，此外其發(fā)射速度高，最高可達(dá)到2Mbps，可以減少數(shù)據(jù)在空中的傳輸時(shí)間，降低了數(shù)據(jù)碰撞的概率。nRF24L01+芯片的原理框如圖3。

圖3 nRF24L01+的原理

從圖3中可以看出，控制器只需通過SPI（片選端、時(shí)鐘輸入、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入）接口寫芯片的寄存器就可實(shí)現(xiàn)對芯片操作控制，而且芯片內(nèi)部集成了GFSK調(diào)制模塊、信號放大器及低噪聲放大器等，設(shè)計(jì)時(shí)不必單獨(dú)設(shè)置這些功能模塊。

nRF24L01+芯片在Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式下，可以將控制器低速發(fā)來的數(shù)據(jù)并高速發(fā)送出去，減少了發(fā)射時(shí)間，降低了功耗。并且此芯片整合了射頻協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以自動加上字頭和CRC效驗(yàn)碼，接收到數(shù)據(jù)時(shí)自動去掉字頭和CRC效驗(yàn)碼，提取出有用數(shù)據(jù)信息傳送給控制器。所以控制器完全不用考慮射頻信號協(xié)議的處理部分，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。

射頻信號的接收和發(fā)射過程完全由nRF24L01+芯片自主完成。發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，只需控制器將數(shù)據(jù)寫入模塊并將其配置成發(fā)送態(tài);要接收數(shù)據(jù)時(shí)，則只需配置成接收態(tài)即可。當(dāng)發(fā)送成功、發(fā)送失敗或者接收成功時(shí)，芯片IRQ端會產(chǎn)生一個(gè)低電平信號告知控制器，控制器根據(jù)信號源的類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。

無線式頂板離層儀需要與無線式數(shù)據(jù)采集器配套使用，工作人員可以通過無線式數(shù)據(jù)采集器對離層儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、查看和數(shù)據(jù)抄收的操作。與無線數(shù)據(jù)采集器通訊時(shí)，離層儀的工作流程如圖4。

圖4 無線通訊流程

離層儀的無線模塊配置為接收狀態(tài)后，開始對空中無線電波進(jìn)行掃描。一旦接收到數(shù)據(jù)，就對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行判斷，若是發(fā)送給本機(jī)的指令則繼續(xù)判斷執(zhí)行，否則該指令被丟棄，并重新進(jìn)入接收狀態(tài)。而執(zhí)行完相應(yīng)的子程序后，離層儀將無線模塊配置成發(fā)送狀態(tài)，將指令執(zhí)行成功標(biāo)志發(fā)送給無線數(shù)據(jù)采集器。當(dāng)采集器接收到此成功標(biāo)志時(shí)即認(rèn)為所發(fā)送的指令已經(jīng)被接收到，并被正確地執(zhí)行了。

4 幾個(gè)注意的技術(shù)問題

（1）無線部分功耗的控制 設(shè)計(jì)的離層儀是以電池為電源的儀器，所以要求系統(tǒng)功耗足夠低，以延長離層儀的使用期限。本設(shè)計(jì)中選用以低功耗著稱的MSP430系列單片機(jī)作為控制器，其休眠時(shí)能1uA左右。另外射頻芯片 （nRF24L01+）也是低功耗的，但其接收狀態(tài)下電流約為12mA。顯然長期處于接收狀態(tài)會增大功耗，因此選用光控開關(guān)對其電源進(jìn)行控制。當(dāng)需要對離層儀進(jìn)行設(shè)置或抄收數(shù)據(jù)時(shí)，使用礦燈照射，即可打開無線通信部分的電源，進(jìn)行無線通訊。

（2）離層儀編號的問題 首先，若作為只顯示離層位移量這種單一功能的傳感器，各離層儀并不需要進(jìn)行區(qū)分。但是本文設(shè)計(jì)的離層儀，其監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以通過無線采集器上傳至計(jì)算機(jī)上，最終用PC機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀詳細(xì)的分析處理。每一個(gè)離層儀的數(shù)據(jù)代表的此時(shí)其所在具體位置、測點(diǎn)的離層變化情況，所以需要將其分別編號區(qū)分開來。其次，如果不對其進(jìn)行分機(jī)編號，當(dāng)2臺或2臺以上離層儀同時(shí)接收到一指令時(shí)，會同時(shí)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，此時(shí)會產(chǎn)生信號阻塞，無線采集器接收不到數(shù)據(jù)或者接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置了分機(jī)編號這一參數(shù)，每一個(gè)離層儀對應(yīng)一個(gè)編號，在分析數(shù)據(jù)時(shí)能夠用于區(qū)分各離層儀，同時(shí)通信協(xié)議規(guī)定發(fā)送指令時(shí)，數(shù)據(jù)包的第一字節(jié)為分機(jī)編號，只有指令中的編號與本機(jī)編號相同時(shí)才進(jìn)行相應(yīng)的處理，否則丟棄此指令，不做響應(yīng)。

（3）通訊干擾問題 實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)無線采集器與離層儀的通訊過程中有時(shí)會突然產(chǎn)生錯(cuò)誤，致使通訊失敗。經(jīng)過檢查分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)離層儀甲與采集器正常通信時(shí)，若有另外的采集器乙處于接收監(jiān)聽狀態(tài)，因?yàn)閮蓚€(gè)采集器工作在同一頻段2406MHz，乙能接收每一個(gè)數(shù)據(jù)包，若某一數(shù)據(jù)包內(nèi)第一字節(jié)數(shù)據(jù)與乙的編號相同，則乙就會返回一些信息，致使采集器同時(shí)接收到兩個(gè)離層儀的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致通信中斷。根據(jù)這一分析以及nRF24L01+芯片具有工作頻率可自定義的特性，設(shè)置了2個(gè)通訊頻道:通用頻道和專用頻道。離層儀處于接收狀態(tài)時(shí)使用通用頻道2406MHz，一旦與采集器建立起無線鏈接后，二者轉(zhuǎn)入專用頻道2463MHz進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)轭l率不同，其他離層儀接收不到任何數(shù)據(jù)，更不會因?yàn)榻邮盏降男畔a(chǎn)生誤操作。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的無線式離層儀與傳統(tǒng)的機(jī)械式和紅外式離層儀相比主要優(yōu)勢體現(xiàn)在:

（1）傳輸速率高 實(shí)際測量傳輸速率大約9600bps，遠(yuǎn)大于紅外傳輸速率。能夠在較短的時(shí)間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)誤碼率幾乎為零 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)自動進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)失敗會自動重新發(fā)送，且抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)不易受環(huán)境干擾。

（3）工作環(huán)境要求降低 傳統(tǒng)紅外離層儀因使用的紅外波段很接近可見光波段，因此環(huán)境光線及可見度非常容易影響紅外通訊效果。無線式離層儀處于粉塵濃度較高或者有強(qiáng)光的環(huán)境下也能正常使用。

（4）操作要求降低 紅外方式要求工作人員在采集數(shù)據(jù)過程中必須將采集器對準(zhǔn)離層儀，且不能中途移動或被遮擋，而對于無線式離層儀，只要在最大通訊距離之內(nèi)，采集器都能采集到數(shù)據(jù)。

經(jīng)在山東晨暉電子科技有限公司一系列的試驗(yàn)及山西華融龍宮煤業(yè)有限公司龍宮礦的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，在10m范圍內(nèi)使用無線數(shù)據(jù)采集器可以成功采集到無線頂板離層儀的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，證明無線式離層儀能夠完成設(shè)計(jì)功能，且在各方面都具有優(yōu)勢，同時(shí)由于采取的一些降低功耗的措施方法，整機(jī)平均功耗能夠維持在10uA以下，離層儀的電池壽命完全能夠滿足工作要求。

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Design of Mine Wireless Roof Separation Monitor

WANG Xue-shui，LIU Pei-shun，YAN Fang-ju，JING Wei-hua，GUO Xiao-wei
（Shandong University of Science＆ Technology，Qingdao 266510，China）

A mine wireless roof separation monitor was designed by applying 2.4GHz wireless communication technology.Monitoring data was uploaded by wireless manner by applying MSP430 series micro-controller and nRF24L01+radio frequency chip.This dissolved some shortcomings in traditional mechanical and infrared roof separation monitor and made copy of roof separation data easy，convenient and fast.

roof separation monitor;wireless data collection;2.4GHz;MSP430;nRF24L01+

TP216

A

1006-6225（2012）02-0051-03

2011－10－08

王學(xué)水 （1964－），男，山東泰安人，教授，主要從事傳感技術(shù)與智能儀表方面的研究工作。

［責(zé)任編輯:鄒正立］