基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)

近年來我國煤礦安全事故時有發(fā)生，安全形勢十分嚴(yán)峻。在采礦生產(chǎn)過程中最常發(fā)生的就是冒頂事故。冒頂是由于煤礦巖石的穩(wěn)定性差，當(dāng)強大的地壓傳遞在頂板或兩側(cè)時，使巖石遭受破壞而引發(fā)。為了預(yù)防冒頂事故的發(fā)生，應(yīng)該掌握礦井頂板壓力規(guī)律。通過實時監(jiān)測頂板壓力的變化，可以研究礦井頂板壓力的規(guī)律，從而采取預(yù)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(fù)雜，巷道內(nèi)有瓦斯、甲烷、煤塵等可燃性氣體，因此設(shè)備必須要防爆、防塵。同時采煤機等一般都是大功率的設(shè)備，在運行和啟停過程中會產(chǎn)生較強的電磁干擾，因此，采用有線方式傳輸信號時，必須做好信號的屏蔽以及遠(yuǎn)距離傳輸信號的衰減等問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用2.4 GHz無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，無需復(fù)雜的布線，且系統(tǒng)具有極強的抗干擾性。因此，本系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點作為頂板壓力數(shù)據(jù)采集的終端，采用無線方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點采用有線通信方式將采集到的數(shù)據(jù)通過傳輸接口傳輸至地面的管理監(jiān)控站，實現(xiàn)頂板壓力的實時監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2-3]WSN(Wireless Sensor Net)是指在一定區(qū)域內(nèi)部署一定數(shù)量的具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成能根據(jù)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(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點間采用無線通信，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，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使用戶遠(yuǎn)程訪問。WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨處移動，網(wǎng)絡(luò)具有無中心、自組織以及動態(tài)拓?fù)浣M織功能等特點。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

傳感器節(jié)點(終端節(jié)點)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，具有數(shù)據(jù)采集、處理以及傳送等功能，本系統(tǒng)中節(jié)點設(shè)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(tǒng)采用GD-307型礦用頂板壓力傳感器,該傳感器是監(jiān)控礦井工作面的頂板壓力變化的專用儀表，能自動將工作面的頂板下沉轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)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簡介

CC2430[4]是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用而設(shè)計的片上系統(tǒng)(SoC)，可以構(gòu)成低成本的ZigBee節(jié)點。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(shù)轉(zhuǎn)換口，1個802.15.4媒體存取控制（MAC）定時器，一個通用16 bit和2個8 bit定時器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。

2.3 節(jié)點硬件設(shè)計[5]

　本系統(tǒng)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(zhuǎn)換參考電壓也設(shè)為3.6 V，因此須將電流信號轉(zhuǎn)換為0~3.6 V的電壓信號，轉(zhuǎn)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(dāng)輸入電流信號為1 mA時，輸出電壓為0.36 V，當(dāng)輸入電流信號為10 mA時，輸出電壓為3.6 V。P0_0為轉(zhuǎn)換電壓輸出端，接CC2430模數(shù)轉(zhuǎn)換通道0(即P0_0端)。CC2430中輸入輸出端口P0_0~P0_7可設(shè)置為模數(shù)轉(zhuǎn)換通道。

　CC2430應(yīng)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(zhuǎn)換器的狀態(tài)、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換通道等信息。ADCCON3寄存器控制額外轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)換的參考電壓。ADC運行在32 MHz的系統(tǒng)時鐘上，32 MHz 8分頻,得到4 MHz的時鐘，調(diào)制器和采樣過濾器的時基為4 MHz。ADC轉(zhuǎn)換所需的時間取決于所選的采樣頻率。轉(zhuǎn)換時間可由下式給定：Tconv=(采樣頻率+16）×0.25 μs。故ADCCON2控制字為：01000000。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)實時通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至匯聚節(jié)點，也可以存儲在本地存儲器中AT24LC08中,等到網(wǎng)絡(luò)空閑時發(fā)送。