基于ZigBee的礦井錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

趙明元，程永強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

眾所周知，山西作為煤炭大省一直是中國(guó)能源的一個(gè)重要基地，然而近年來在煤炭開采過程中煤礦事故頻發(fā)一直是制約山西煤炭企業(yè)健康發(fā)展的一個(gè)重要因素。在2010年統(tǒng)計(jì)的64起山西煤礦各類事故(見表1)中，由頂板問題引起的傷亡事故一直居高不下，在山西陽(yáng)城煤礦關(guān)于頂板巖層應(yīng)力的監(jiān)測(cè)中，要求在煤礦各巷道每50 m一個(gè)測(cè)量處采取6點(diǎn)應(yīng)力、1點(diǎn)位移的設(shè)備安裝措施，此外頂板事故相對(duì)瓦斯事故和透水事故有比較大的可避免性，所以礦井頂板應(yīng)力數(shù)據(jù)的測(cè)量就成為煤礦安全非常重要的一個(gè)方面。

基于此，利用太原理工大學(xué)在礦山安全學(xué)科方面的優(yōu)勢(shì)，在礦業(yè)安全實(shí)驗(yàn)室和力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心利用現(xiàn)有的儀器設(shè)備資源開發(fā)了一種模擬監(jiān)測(cè)礦井頂板錨索應(yīng)力數(shù)據(jù)的智能平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為了達(dá)到盡可能逼真的效果，考慮了真實(shí)煤礦礦井下對(duì)設(shè)備低功耗、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性和安裝操作簡(jiǎn)單的要求，開發(fā)了一種以ZigBee傳輸協(xié)議為核心的全自動(dòng)采集處理應(yīng)力數(shù)據(jù)[1-4]、無線傳輸數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)、不工作時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且超過預(yù)定值時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警以便通知監(jiān)測(cè)人員采取加固措施。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生了解煤礦頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理及過程提供了有效途徑，同時(shí)也能幫助學(xué)生提高動(dòng)手能力、分析解決問題的能力和學(xué)科知識(shí)的能力。

表1 2010年山西煤礦安全事故統(tǒng)計(jì)

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心搭建，主要由電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、電阻應(yīng)變式壓力傳感器[5-7]、分站、主站及上位機(jī)組成。應(yīng)變式壓力傳感器在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)所加壓力下模擬完成頂板施加應(yīng)力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，差分輸出幅值隨所加壓力大小線性變化的電壓信號(hào)。分站負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸入的微弱信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及就地顯示和無線傳輸給下一個(gè)分站。主站無線接收分站的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)曲線以及通過光纖傳輸給PC端的上位機(jī)，并且接收上位機(jī)的命令來管理分站，監(jiān)測(cè)人員通過上位機(jī)軟件就可實(shí)時(shí)觀測(cè)應(yīng)力變化情況。圖1顯示了模擬煤礦巷道頂板應(yīng)力監(jiān)測(cè)所搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體分布結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

1.1 應(yīng)變式壓力傳感器工作原理、設(shè)計(jì)及標(biāo)定

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由承重彈性圓筒、密封殼體、電阻應(yīng)變片及信號(hào)傳輸電纜組成，當(dāng)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)傳感器施加壓力時(shí)，會(huì)引起彈性圓筒的變形，并傳遞給粘貼在圓筒臂上的電阻應(yīng)變片，這樣電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，然后通過適當(dāng)?shù)倪B接轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓瑥亩ㄟ^后續(xù)電路便可測(cè)出具體數(shù)值。根據(jù)試驗(yàn)機(jī)500 kN的量程及考慮實(shí)際礦用壓力傳感器承受頂板應(yīng)力的范圍，使用了量程為400 kN、中心是中空的穿心式結(jié)構(gòu)傳感器，并且為了消除因施加載荷偏心而產(chǎn)生附加彎曲的影響，在圓筒狀彈性剛體上沿周邊和軸向?qū)ΨQ位置布置了8個(gè)應(yīng)變片，然后應(yīng)變片以全橋的方式接入后續(xù)電路。此法相對(duì)四應(yīng)變片結(jié)構(gòu)提高了橋路輸出信號(hào)，同時(shí)4個(gè)溫度補(bǔ)償片也很好地保證了測(cè)量過程中的精確性。圖2顯示了八應(yīng)變片結(jié)構(gòu)的具體位置分布及電路接入方式，其中R1、R2、R7、R8這4個(gè)應(yīng)變片進(jìn)行傳感測(cè)量，其余4個(gè)則起溫度補(bǔ)償作用。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)和在電路中接法

由于應(yīng)變片應(yīng)變值與傳感器所受應(yīng)力值成線性關(guān)系，利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行了應(yīng)變-力值的標(biāo)定，具體做法是把傳感器與應(yīng)變儀進(jìn)行全橋連接，然后在試驗(yàn)機(jī)上以一定的力值間隔給傳感器施加壓力，同時(shí)觀察應(yīng)變儀上的應(yīng)變讀數(shù)，最后把觀測(cè)到的數(shù)據(jù)通過最小二乘法進(jìn)行擬合處理，看其是否滿足一定的線性關(guān)系。通過考慮綜合情況完成傳感器結(jié)構(gòu)的選擇以及標(biāo)定后，保證各方面參數(shù)均無差錯(cuò)，便可應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 平臺(tái)分站電路模塊設(shè)計(jì)

分站處于整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的前端，它與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上的壓力傳感器相連，既可以單獨(dú)工作，又可以加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連。它主要由主處理器模塊、電池及保護(hù)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)碼管顯示模塊及射頻功放模塊組成。分站結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 分站電路模塊

在分站電路中，首先接收來自壓力傳感器的微弱差分信號(hào)，此信號(hào)幅值大小大約在0.3～5 mV之間，所以必須先進(jìn)行濾波和放大預(yù)處理，選用了TI的模擬前端LMP90100作為信號(hào)調(diào)理端的器件，可編程的放大倍數(shù)以及24位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換足以保證傳感器端信號(hào)穩(wěn)定精密的放大和轉(zhuǎn)換；同時(shí)輸出端的SPI接口和7個(gè)通用的I/O口，既為與分站處理器的連接提供了方便，又減少了處理器所復(fù)用的I/O口，提高了系統(tǒng)的可靠性。調(diào)整電路之后，進(jìn)入主處理器。采用了基于增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，具有ZigBee應(yīng)用的RF內(nèi)核的CC2530芯片[8-10]，它優(yōu)良的低功耗性能保證了以電池供電的可移動(dòng)分站工作的持續(xù)長(zhǎng)久性，使平臺(tái)分站在容量為2.5 Ah的電池供電下可以工作長(zhǎng)達(dá)半年之多，滿足學(xué)生半個(gè)學(xué)期的使用。CC2530自帶的RF內(nèi)核使分站與分站之間可以通過無線來進(jìn)行通信，省去了在實(shí)驗(yàn)中心布線的麻煩，增加的發(fā)射接收功率放大電路，保證了相鄰的2個(gè)分站能夠互相無差錯(cuò)地通信，同時(shí)中間有分站發(fā)生故障后信號(hào)還能和下一個(gè)分站進(jìn)行無線連接，以提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路保證能夠就地實(shí)時(shí)顯示分站所采集的應(yīng)力值，使分站在脫離系統(tǒng)時(shí)也可以獨(dú)立工作，此模塊的電源通過一個(gè)MOS管開關(guān)可以自由切換，保證系統(tǒng)在不工作時(shí)此模塊斷電，同時(shí)分站長(zhǎng)時(shí)間不工作時(shí)會(huì)進(jìn)入休眠模式，以此最大限度降低系統(tǒng)的功耗。整個(gè)分站還可在不工作時(shí)通過外部觸發(fā)中斷觸發(fā)喚醒，以便實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的應(yīng)力值。

1.2.2 平臺(tái)主站電路模塊設(shè)計(jì)

主站在整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中起承上啟下的作用，它不僅要與分站進(jìn)行通信來獲取數(shù)據(jù)，還要與上位機(jī)通信進(jìn)行上傳數(shù)據(jù)或接受命令來對(duì)分站進(jìn)行管理。主站主要由主處理器模塊、電源保護(hù)模塊、無線傳輸模塊、存儲(chǔ)模塊、USB模塊、液晶屏顯示模塊及以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊組成，結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 主站電路模塊結(jié)構(gòu)

主站負(fù)責(zé)連接分站和與上位機(jī)進(jìn)行通信。主站采用了適合于工業(yè)控制的STM32F103控制器為核心[11-12]，同時(shí)加入了ZigBee模塊，以便與分站無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或者接收上位機(jī)的命令對(duì)分站進(jìn)行設(shè)置。主站中的電源保護(hù)模塊中加入了可控硅及肖特基二極管，防止在操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)正負(fù)極接反及短路現(xiàn)象。在與上位機(jī)通信中，主站通過以太網(wǎng)模塊和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊與上位機(jī)的光交換機(jī)以光纖為傳輸介質(zhì)進(jìn)行通信，光纖強(qiáng)大的抗干擾性使在噪聲多的環(huán)境下通信的可靠性有了很大改進(jìn)，同時(shí)又提高了通信速率，保證了它的有效性。主站中16 MB容量的Flash模塊可以供8個(gè)分站的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)6個(gè)月以上的時(shí)間，主站自帶127mm(5英寸)液晶屏，可以顯示各個(gè)分站傳輸回來的數(shù)據(jù)以及對(duì)各個(gè)分站進(jìn)行設(shè)置。主站的USB模塊可以隨時(shí)用U盤拷貝主站中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，確保在上位機(jī)發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)得到數(shù)據(jù)。主站上的各模塊在設(shè)計(jì)時(shí)還加入了防止電流電壓過大的保護(hù)電路，這一方面是防止某部分電路發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)切斷電源停止工作，另一方面為了模擬的逼真性也考慮了實(shí)際礦井下對(duì)電路設(shè)計(jì)時(shí)本質(zhì)安全性的要求。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

目前在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由5個(gè)分站和1個(gè)主站組成，考慮到實(shí)際礦井巷道的距離比較長(zhǎng)，采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式進(jìn)行設(shè)備之間的通信，平臺(tái)分站及主站正常工作時(shí)的通信過程主要由以下3個(gè)步驟來完成：

(1) 地址設(shè)定。初次使用首先進(jìn)行各個(gè)分站地址的設(shè)定，通過主站上由GUI設(shè)計(jì)的分站總數(shù)命令按鈕進(jìn)行設(shè)定，輸入分站總數(shù)5后，主站上的ZigBee模塊收到地址設(shè)定命令后會(huì)把自己的地址設(shè)為6，然后通過無線傳輸給離主站最近的分站，分站收到地址信息后會(huì)把自己的地址設(shè)為5，依次這樣手拉手式的傳遞給下一個(gè)分站，一直到1號(hào)分站結(jié)束。地址設(shè)定完成后地址信息會(huì)保存在掉電不消失的Flash里邊，這樣地址設(shè)定只需要在初次實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置。地址設(shè)定完成后就進(jìn)入到整個(gè)系統(tǒng)的正常循環(huán)工作狀態(tài)，

(2) 同步時(shí)間校準(zhǔn)。在使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正常工作時(shí)，分站預(yù)設(shè)置為2 min采集一次數(shù)據(jù)，5 min給主站傳輸一次數(shù)據(jù)，在每次傳輸數(shù)據(jù)前，會(huì)首先進(jìn)行同步時(shí)間校準(zhǔn)的設(shè)置，主站會(huì)把自己的實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息發(fā)送給分站，然后分站再依次傳遞下去直至1號(hào)分站。為了保證通信的可靠性，每進(jìn)行一次通信傳輸，接收的分站都會(huì)給發(fā)送的分站一次應(yīng)答信息，同時(shí)中間有分站發(fā)生故障不能正常工作時(shí)，會(huì)自動(dòng)跳過此分站與下一個(gè)分站繼續(xù)通信。

(3) 數(shù)據(jù)回傳。當(dāng)1號(hào)分站收到同步時(shí)間數(shù)據(jù)后，會(huì)根據(jù)自己是1號(hào)分站的特殊身份自動(dòng)轉(zhuǎn)入到發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，而前邊時(shí)間同步完成的所有分站會(huì)處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，所以處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)的2號(hào)分站會(huì)收到1號(hào)分站發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后2號(hào)分站就把自己的數(shù)據(jù)也放在收到的數(shù)據(jù)包里，打包好后一并發(fā)給3號(hào)分站，依次一直到主站收到所有的數(shù)據(jù)。中間如果有分站發(fā)生故障也會(huì)自動(dòng)跳入相鄰的下一個(gè)分站進(jìn)行通信，并且發(fā)生故障的分站的數(shù)據(jù)會(huì)以一個(gè)特殊的字符代替以便及時(shí)處理不工作的分站。當(dāng)主站及上位機(jī)收到全部數(shù)據(jù)后，一次整個(gè)通信過程就成功完成，此時(shí)各個(gè)分站會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式保持低功耗運(yùn)行，5 min后分站會(huì)自動(dòng)喚醒，進(jìn)入等待接收同步時(shí)間狀態(tài)來進(jìn)行下一次的傳輸。主站則在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制下，及時(shí)響應(yīng)上位機(jī)的命令、外設(shè)的各種請(qǐng)求及準(zhǔn)備下一次的通信。通過上位機(jī)或主站都可以對(duì)分站進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。圖5給出了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)5個(gè)分站的地址設(shè)定過程、一次同步時(shí)間及回傳數(shù)據(jù)過程。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)傳輸過程

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能測(cè)試

在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)應(yīng)變式壓力傳感器施加的壓力來模擬礦井頂板對(duì)錨索及相應(yīng)傳感器所產(chǎn)生的應(yīng)力，把此傳感器引出電纜接入平臺(tái)某一分站上，然后依此擺放其余4個(gè)分站、1個(gè)主站及上位機(jī)。首先進(jìn)行各分站地址的設(shè)定，在主站上分站總數(shù)設(shè)置欄里輸入5，離主站最近的分站會(huì)把自己的地址設(shè)為05，最遠(yuǎn)端的分站會(huì)設(shè)為01；地址設(shè)定好后，保證各分站、主站都處于工作狀態(tài)時(shí)，開啟電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)應(yīng)變式壓力傳感器施加壓力，每間隔40 kN觀察一次傳輸回來的數(shù)據(jù)，總共所加力值范圍為0～400 kN，在這10個(gè)點(diǎn)上記錄主站或上位機(jī)傳輸回來的數(shù)據(jù)，與電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)所加力值進(jìn)行對(duì)比?？梢钥吹剑浩溆?個(gè)分站由于沒有加傳感器，所傳回來的力值顯示為0。表2為1號(hào)分站傳輸回來的數(shù)據(jù)與實(shí)際值的對(duì)比。圖6則為用最小二乘法一次擬合出來的關(guān)系曲線，具體關(guān)系為

y=1.002x-1.1364

(1)

其中y對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)力值，x對(duì)應(yīng)試驗(yàn)機(jī)的力值?？梢钥闯?，系數(shù)1.002約等于1，基本滿足實(shí)驗(yàn)要求。由表2可以看出：傳感器在0～80 kN范圍的壓力下相比在80～400 kN范圍壓力下的誤差偏大，造成圖6不是一條完全線性的直線，這是由于傳感器彈性剛體本身材料性能所引起的，而在實(shí)際使用時(shí)最大2 kN的誤差(也就是說是總量程的0.5%)，完全可以滿足所需精度要求；然后用關(guān)閉某一分站的電源來模擬分站損壞的情況，用同樣的方法觀測(cè)試驗(yàn)機(jī)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)可以跳過損壞分站進(jìn)行傳輸，具體數(shù)值與上邊基本相同。用秒表可以觀察到分站傳輸完數(shù)據(jù)進(jìn)入休眠模式，5 min后自動(dòng)喚醒后進(jìn)行下一次的通信。最后短接和反接電源分站及主站均不受此影響而損壞。

表2 分站1傳輸回來的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)機(jī)實(shí)際所加力值

圖6 實(shí)測(cè)力值與試驗(yàn)機(jī)力值關(guān)系

4 結(jié)論

(1) 在山西煤炭資源優(yōu)勢(shì)及對(duì)礦井信息化安全化的要求下，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)立足于實(shí)驗(yàn)室已有儀器設(shè)備的情況下，開發(fā)了以ZigBee技術(shù)為核心的平臺(tái)分站和主站，從最前端的傳感設(shè)備到最終的上位機(jī)，給學(xué)生進(jìn)一步研究數(shù)字化礦山提供了便捷平臺(tái)，同時(shí)也能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)信息、力學(xué)、礦業(yè)等交叉學(xué)科方面的知識(shí)。

(2) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件方面?zhèn)鞲衅髋c傳感器信號(hào)處理電路分開的設(shè)計(jì)及預(yù)留擴(kuò)展的輸入輸出口使平臺(tái)還可以連接其他種類的傳感器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集傳輸實(shí)驗(yàn)，如位移傳感器。通信協(xié)議3個(gè)步驟的靈活性使平臺(tái)可以適應(yīng)不同數(shù)量分站之間的互相通信，同時(shí)ZigBee協(xié)議的通用性使得通過少許的改動(dòng)，還可以與其他無線平臺(tái)進(jìn)行互連，組成更大的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

(3) 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，基本符合真實(shí)礦井頂板應(yīng)力采集數(shù)據(jù)的過程，可擴(kuò)展性和兼容性也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用提供了便捷平臺(tái)[13]。

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