基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的支架壓力傳感器設(shè)計(jì)

張高峰

(西山煤電 西銘礦供應(yīng)部，山西 太原 030052)

0 引言

近年來隨著液壓支架電液控制技術(shù)的迅速發(fā)展，煤礦綜采工作面的液壓支架支護(hù)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，采煤工作的安全性和效率都有了顯著提高。液壓支架壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過傳感器采集工作面支架壓力信息，然后傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)，對(duì)工作面支護(hù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的一種技術(shù)手段。未來煤礦會(huì)朝著信息化、智能化、無人化方向發(fā)展，目前液壓支架實(shí)現(xiàn)壓力監(jiān)測(cè)的方式普遍采用電纜通信，這種通信方式簡(jiǎn)單可靠，但是存在布線復(fù)雜、電纜破損后導(dǎo)致通信失敗的缺點(diǎn)。基于上述原因，需要開發(fā)一種基于無線通信技術(shù)的液壓支架壓力傳感器，以提高液壓支架的智能化水平。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是一種新興的通信技術(shù)，這種技術(shù)具有低功耗、易組網(wǎng)等特點(diǎn)，十分適用于井下巷道環(huán)境中，因此本文基于此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了壓力傳感器的設(shè)計(jì)。

1 巷道通信特點(diǎn)

如果要在礦井中實(shí)現(xiàn)短距離無線通信，需要考慮的因素比較多，除了無線通信技術(shù)本身的覆蓋范圍、傳輸速率、功耗等特質(zhì)外，還應(yīng)當(dāng)考慮礦井自身的物理?xiàng)l件來決定通信頻段，包括巷道結(jié)構(gòu)、井下縱向?qū)w等，應(yīng)當(dāng)尋找一種傳輸效果好、適應(yīng)性強(qiáng)的通信技術(shù)解決方案。巷道截面形狀、截面等效半徑和傾斜程度對(duì)無線信號(hào)的影響是顯著的，在電磁波波長(zhǎng)一定的情況下，巷道截面的等效半徑越大，信號(hào)的衰減就越小。假設(shè)一段巷道截面的等效半徑是固定的，那么在此條件下就存在一個(gè)截止頻率，低于這個(gè)截止頻率的無線信號(hào)衰減程度很大，無法進(jìn)行信號(hào)傳輸。一般的井下巷道截面面積在幾十平方米以內(nèi)，對(duì)中頻段的電磁波影響較小。巷道內(nèi)存在的縱向?qū)w包括鋼絲繩和電纜，特別是位于巷道中央的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)波作用，從而使得信號(hào)增強(qiáng)，導(dǎo)波作用的頻段在中低頻段，高頻信號(hào)的導(dǎo)波作用很弱。綜上所述，適用于煤礦井下的無線通信頻段為中頻段。

常用的無線通信技術(shù)有WIFI、IrDA、Bluetooth和ZigBee等。WIFI是一種常用于便攜設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)接入的無線擴(kuò)展技術(shù)，通常一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)所接入的設(shè)備數(shù)量不會(huì)太多，且需要穩(wěn)定電源，因此不適用于井下應(yīng)用場(chǎng)合。IrDA是一種用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遙控領(lǐng)域的無線設(shè)備，常用于簡(jiǎn)單的開關(guān)控制，由于這種技術(shù)不能組網(wǎng)，因此也不適用于液壓支架壓力檢測(cè)系統(tǒng)。Bluetooth也存在不能組網(wǎng)的問題。ZigBee是一種新興的無線通信技術(shù)，具有組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)定位、功耗低和可靠性高的特點(diǎn)，工作頻率為免執(zhí)照頻段，可以在2.4 GHz、868 MHz及915 MHz中自由選擇。因此我們選擇ZigBee作為液壓支架壓力傳感器的無線通信方案。

2 ZigBee組網(wǎng)方式

ZigBee的中文正式名稱為無線傳感網(wǎng)絡(luò)，這種通信技術(shù)具有功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是新興的熱門研究領(lǐng)域。隨著ZigBee聯(lián)盟的發(fā)展壯大，國(guó)內(nèi)外廠商紛紛推出自己的ZigBee芯片，目前其廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。關(guān)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其工作頻率、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型、組網(wǎng)形式做出了明確的規(guī)定。按照IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作頻段為3個(gè)：即868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。由于井下巷道的結(jié)構(gòu)限制，本文的工作頻率設(shè)計(jì)在868 MHz頻段。其設(shè)備類型包括路由器、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備三種，由全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備組成，路由器和協(xié)調(diào)器由全功能設(shè)備組成，終端設(shè)備由精簡(jiǎn)功能設(shè)備組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)形式從簡(jiǎn)單到復(fù)雜分別為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只有協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備，這種結(jié)構(gòu)類似于廣播，終端節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)需經(jīng)過協(xié)調(diào)器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)受到干擾后協(xié)調(diào)器會(huì)出現(xiàn)混亂，因此不適用于大范圍通信。樹型網(wǎng)絡(luò)是在星型網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)根的依賴很大，可靠性不高。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展形成的，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有自愈性，適用于液壓支架巷道環(huán)境，因此本文選擇這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

由于路由設(shè)備是終端設(shè)備的精簡(jiǎn)版，因此本文只介紹終端設(shè)備的設(shè)計(jì)原理，路由設(shè)備在此基礎(chǔ)上省略了傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路等。一個(gè)液壓支架壓力采集終端原理框圖如圖1所示，主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、無線收發(fā)模塊和電源模塊。壓力傳感器從前支柱、后支柱和前探梁采集到的壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理變?yōu)榉从硥毫Υ笮〉碾妷毫?。?jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、AD變換之后，發(fā)送給無線收發(fā)模塊中的8051單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理和存儲(chǔ)后，通過射頻模塊發(fā)送到下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

圖1 液壓支架壓力采集終端原理框圖

3.1 壓力傳感器

礦井頂板對(duì)液壓支架的壓力會(huì)使壓力傳感器的電阻應(yīng)變片產(chǎn)生形變，從而改變其電阻的大小，因此可以通過設(shè)計(jì)電橋，將電阻阻值的變化反映在電壓變化上，電阻應(yīng)變式壓力傳感器就是根據(jù)此原理設(shè)計(jì)的。如圖2所示，傳感器內(nèi)部的差動(dòng)全橋電路由恒流源供電，這樣可以消除溫度變化的影響。電橋一共使用4只電阻，其中2只電阻阻值隨壓力增大而增大，另外2只電阻阻值隨壓力增大而減小，將變化方向不同的電阻分別布置在橋臂對(duì)側(cè)，這樣可以提高壓力傳感器的靈敏度。壓力傳感器的測(cè)量精度為1%，最大量程可達(dá)60 MPa，輸入電壓為12 V，輸出電流為0.1 mA。

3.2 無線通信電路

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上均有支持ZigBee通信的芯片，包括飛思卡爾公司的MC13193、寧波中科的JN5121、德州儀器公司的CC2430/CC2530等(CC2530是德州儀器在CC2430基礎(chǔ)上的增強(qiáng)版本，在存儲(chǔ)空間、輸出功率、軟件平臺(tái)功能和靈敏度等方面具有較高的特性)。由于MC13193片上未集成微處理器，JN5121片上集成的32位微處理器成本較高，因此本設(shè)計(jì)選擇德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530芯片，這款芯片集成了一款8位單片機(jī)8051，能夠滿足低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，?duì)于液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來說已經(jīng)夠用。

圖2 壓力傳感器內(nèi)部的差動(dòng)全橋電路原理圖

參考數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)CC2530芯片及其外圍電路的設(shè)計(jì)如圖3所示，包括晶振時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源濾波電路和ANTENNA非平衡天線電路。晶振時(shí)鐘電路有兩組，晶振Y1位于XOSC_Q1和XOSC_Q2之間，振蕩頻率為32 MHz，負(fù)載電容取27 pF；晶振Y2位于P2_3和P2_4之間，振蕩頻率為32.768 MHz，負(fù)載電容取15 pF。復(fù)位電路為RC放電電路，復(fù)位上拉電阻R3取10 kΩ，復(fù)位電容C18取1 μF，當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，放電電容被短路，RC放電電路的放電時(shí)間10 μs，滿足CC2530的復(fù)位要求，芯片被置位。無線收發(fā)電路由ANTENNA天線經(jīng)一個(gè)非平衡電壓器接入芯片的RF_N和RF_P引腳，非平衡電感L2和L3根據(jù)射頻輸入/輸出匹配阻抗要求設(shè)計(jì)。

圖3 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊CC2530外圍電路

4 結(jié)束語

本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種液壓支架壓力傳感器。通過差動(dòng)全橋電路設(shè)計(jì)方式消除了壓力傳感器受溫度變化的影響，采用恒流源供電，提高了壓力傳感器的靈敏度。設(shè)計(jì)了無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的電路結(jié)構(gòu)，片上集成的單片機(jī)能夠簡(jiǎn)化接口電路，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。該傳感器對(duì)于提高煤礦液壓支架的智能化水平具有一定意義。