煤礦掘進巷道巖石壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究設(shè)計

王 磊

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司云崗礦， 山西 大同 037017）

引言

我國煤礦生產(chǎn)主要為地下開采形式，開采過程需要在井下挖掘大量的巷道，巷道的通暢和圍巖的穩(wěn)定關(guān)系著煤礦生產(chǎn)穩(wěn)定和安全[1-2]。在生產(chǎn)實踐中，掘進巷道的圍巖壓力變化較大，極易發(fā)生頂板垮落，需要對巷道的圍巖壓力進行實時監(jiān)測預(yù)警，以保障生產(chǎn)穩(wěn)定安全進行。因此針對目前生產(chǎn)中應(yīng)用的傳統(tǒng)圍巖壓力監(jiān)測系統(tǒng)存在的監(jiān)測布線復(fù)雜、靈活性差的不足，結(jié)合相關(guān)資料以及生產(chǎn)規(guī)定對煤礦掘進巷道的圍巖壓力監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究設(shè)計[3-5]。

1 Zigbee無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

為了保障巷道的通暢與安全需要對掘進巷道的圍巖壓力進行實時在線監(jiān)測，以保障生產(chǎn)工作的安全穩(wěn)定進行。傳統(tǒng)的監(jiān)測方案需要進行布線、布置工作時間長、靈活性差，已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)需要。Zigbee 是目前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種適用于短距離傳輸、速率要求不高的無線通訊技術(shù)，它基于IEEE802.15.4 通訊協(xié)議工作，具有功耗小、成本低的優(yōu)勢，監(jiān)測中無需人工布線，靈活性好，可以自行組網(wǎng)，自動化水平高，可靠性強。

本文基于Zigbee 無線通訊技術(shù)進行煤礦掘進巷道圍巖壓力監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)總體設(shè)計為三層，包括現(xiàn)場感知層、通訊網(wǎng)絡(luò)層以及上位機應(yīng)用層?，F(xiàn)場感知層即傳感器節(jié)點層主要由傳感器、單片機、無線收發(fā)模塊以及外圍電路共同組成，完成對壓力值得檢測、轉(zhuǎn)化、無線傳輸。通訊網(wǎng)絡(luò)層主要利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)與傳感器節(jié)點的信息匯聚，網(wǎng)關(guān)節(jié)點由無線收發(fā)模塊和單片機以及外圍電路共同組成，負(fù)責(zé)對傳感器節(jié)點發(fā)送的信息進行接收、匯總、轉(zhuǎn)化，并將其傳輸?shù)缴衔粰C應(yīng)用層。上位機應(yīng)用層由工控機和聲光報警器組成，完成對采集信息的轉(zhuǎn)化處理，根據(jù)軟件程序進行圍巖壓力狀態(tài)判斷，決定是否發(fā)出警報。監(jiān)測系統(tǒng)的簡要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的硬件選型

綜合考慮實際應(yīng)用環(huán)境以及功能需求，首先對構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)備進行選型，系統(tǒng)的硬件主要包括傳感器、單片機、無線收發(fā)模塊、上位機、外圍電路、電源等。其中，單片機作為系統(tǒng)接收、傳輸、處理的核心設(shè)備，選擇TI 公司設(shè)計生產(chǎn)的MSP430 型16 位超低功耗微處理器，該MCU 處理能力強，運算速度快，性能穩(wěn)定具有方便快捷的開發(fā)環(huán)境。無線收發(fā)模塊同樣選擇TI 公司設(shè)計生產(chǎn)的CC2430 芯片，它集成了一個2.4 GHz 的射頻收發(fā)器以及一個8 位單片機共同組成，能夠提供以ZigBee 為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM 波段應(yīng)用，且具有功耗低、靈敏度高、抗干擾能力強的優(yōu)點。傳感器選擇中拓公司設(shè)計的MSJ-202 型礦用錨桿測力傳感器進行圍巖壓力數(shù)據(jù)采集，該傳感器測力量程為0～400 kN，測量誤差小于滿量程的1.0%，礦用本質(zhì)安全，信號穩(wěn)定可靠。

2.2 壓力監(jiān)測模塊設(shè)計

系統(tǒng)壓力監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)來源主要通過布置在錨桿尾部錨桿測力傳感器獲得，在測力傳感器的中空鋼筒結(jié)構(gòu)內(nèi)有3 個振弦式應(yīng)變計，當(dāng)錨桿受載時迫使中空鋼筒產(chǎn)生軸向的變形時，內(nèi)嵌的3 個振弦式應(yīng)變計伴隨鋼筒產(chǎn)生同步的變形，引起應(yīng)變計的振弦產(chǎn)生變化，由此改變了振弦的振動頻率，以電壓形式輸出。

傳感器采集得到電壓形式的振動頻率信號，通過傳感器線纜導(dǎo)入傳感器節(jié)點外圍電路到達(dá)單片機，對數(shù)據(jù)進行處理運算、轉(zhuǎn)化得到中空鋼筒變形的應(yīng)變量，進一步利用標(biāo)定系數(shù)求出錨桿受到的圍巖壓力，由無線收發(fā)模塊將測到的壓力數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化，利用RF 模塊進行發(fā)送，在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸，最終匯集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收、匯集，轉(zhuǎn)化將數(shù)據(jù)整合到上位機應(yīng)用層，上位機應(yīng)用層依據(jù)軟件程序?qū)?shù)據(jù)進行處理運算、并對掘進巷道壓力情況進行顯示、存儲，在壓力異常情況下還可自動發(fā)出聲光警報。單片機的電源電路如圖2 所示。

圖2 單片機的電源電路

3 通訊模塊設(shè)計

煤礦掘進巷道的圍巖壓力監(jiān)測，必須保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時在線，需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)。其中，傳感器采集的電壓模擬量信息需要經(jīng)過放大、AD 變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并進行濾波處理，才能根據(jù)電壓信息的獲得振動頻率，依據(jù)傳感器參數(shù)求出壓力值。

傳感器節(jié)點的單片機通過串行外設(shè)接口（SPI）實現(xiàn)與無線收發(fā)模塊CC2430 實現(xiàn)同步通訊連接，采用主從方式，MSP430 作為主設(shè)備，CC2430 作為從設(shè)備，借助4 個管腳完成兩者之間的全雙工高速通訊，利用其中兩條線路完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，其余兩條線路一條用于時鐘傳輸，另一條用于從設(shè)備選擇，此外CC2430 還利用4 個引腳表示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。MSP430 與無線收發(fā)模塊CC2430 的SPI 通訊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點基于Zigbee無線通訊協(xié)議完成自組網(wǎng)，數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，最終匯集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點基于RS-485 總線協(xié)議將匯集的壓力數(shù)據(jù)最終傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)測應(yīng)用層。

4 軟件程序設(shè)計

圖3 SPI 通訊結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測系統(tǒng)軟件程序完成數(shù)據(jù)的接收、預(yù)處理、運算轉(zhuǎn)化等一系列功能。本文利用LAR Embedded workbench 開發(fā)環(huán)境進行軟件程序的設(shè)計開發(fā)，該工具集成功能完善、操作簡便擁有廣泛的程序源代碼，可使開發(fā)設(shè)計周期大大減短，是目前工業(yè)界廣泛應(yīng)用的嵌入式開發(fā)工具。通過與相關(guān)調(diào)試器、仿真器搭配，幫助開發(fā)者較快完成對MCU 的程序設(shè)計、調(diào)試、測試等工作。通過將MSP430 以及CC2430 通過外圍接口電路與電腦連接，在LAR 中完成對編譯環(huán)境設(shè)置、工作區(qū)工程創(chuàng)建后，基于C 語言完成程序編程、協(xié)議棧（Z-Stack）函數(shù)的調(diào)用并配置調(diào)試器和仿真器在線完成軟件程序的編譯連接仿真調(diào)試工作。傳感器節(jié)點軟件主程序工作流程如圖4 所示。

5 結(jié)論

1）該系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)合了煤礦生產(chǎn)實際情況，基于Zigbee 無線通訊技術(shù)、單片機技術(shù)以及編程理論開發(fā)，可實現(xiàn)對圍巖壓力的實時在線監(jiān)測預(yù)警。

2）該系統(tǒng)具有自動化水平高、可視化、靈活可靠等優(yōu)勢，可大大提高煤礦生產(chǎn)的自動化水平，減少工人的工作量保障煤礦生產(chǎn)穩(wěn)定與安全。

圖4 軟件主程序流程圖