基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)
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2.4 天線
CC2430在2.4 GHz頻段上使用直接序列擴展頻譜(DSSS)來擴展輸出功率，從而使通信鏈路具有很強的抗干擾性，即使在嘈雜的環(huán)境中也能運行。CC2430可使用不同類型的天線。常用的是偶極子的差分天線，λ/2偶極子天線長度計算公式為：L=12 250/f。其中f的單位是MHz，長度單位是cm。2.45 GHz的天線必須是5.8 cm，每邊為2.9 cm。如果用于短距離通信也可以應(yīng)用單極子、螺旋或環(huán)狀天線。在硬件設(shè)計中，須使用雙面印刷電路板，板面必須很好地鋪地。布置元件時應(yīng)盡可能靠近，外接元件越小越好。元件接地時，需單獨接地，切勿星狀接地，形成環(huán)流，影響系統(tǒng)的運行。
3 匯聚節(jié)點
匯聚節(jié)點[6]（如圖1所示）采用無線接收、有線發(fā)送的方式。匯聚節(jié)點的主控制芯片為CC2430。CC2430無線接收各終端節(jié)點發(fā)送過來的礦井頂板地址數(shù)據(jù)和頂板壓力數(shù)據(jù)，將其按相應(yīng)的地址號存儲在相應(yīng)的地址單元。由于匯聚節(jié)點接收的數(shù)據(jù)量較大,本系統(tǒng)采用AT24C256作為數(shù)據(jù)存儲器，控制圖與圖3相似，不再重復(fù)給出。匯聚節(jié)點將接收到的地址數(shù)據(jù)和頂板壓力數(shù)據(jù)整理打包，通過USB口將數(shù)據(jù)發(fā)送至傳輸接口。CH341T是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，通過USB總線提供串口、打印口或者并口。在串口方式下，CH341T 提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號以及常用的MODEM 聯(lián)絡(luò)信號，用于將普通的串口設(shè)備直接升級到USB 總線。在并口方式下，CH341T 提供了EPP 方式或者MEM方式的8 bit并行接口，用于在不需要單片機/DSP/MCU 的環(huán)境下,直接輸入輸出數(shù)據(jù)。CH341T與CC2430接口圖如圖4所示。圖4中P0_3設(shè)置為TXD，P0_2設(shè)置為RXD，因此，CC2430控制寄存器需作相應(yīng)的設(shè)置。具體設(shè)置為：外設(shè)控制寄存器PERCFG=XXXXXXX0；輸入配置寄存器ADCCFG=XXXX00X1；端口功能選擇器P0SEL=XXXX111?！?BR>
4 傳輸接口
傳輸接口[6-7]安裝在地面監(jiān)測站和無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點之間，將匯聚節(jié)點傳輸來的煤礦頂板的地址數(shù)據(jù)和頂板壓力數(shù)據(jù)通過USB口傳輸至上位管理主機中。由于傳輸接口與地面監(jiān)測站之間距離較遠，因此為了確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，需要對USB通信加中繼，提高其傳輸能力。同時，傳輸接口對接收到數(shù)據(jù)進行處理，當(dāng)接收到某一地址的頂板壓力數(shù)據(jù)接近或超過預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)時，發(fā)出聲光報警。因此，從匯聚節(jié)點傳輸?shù)腢SB信號需進行增強和分路,如圖5所示。AU9254可實現(xiàn)USB 1路到4路的分路,同時可以從RJ-45口實現(xiàn)遠距離傳輸。
傳輸接口采用C8051F320為主控芯片對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。C8051F320系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)，CIP-51內(nèi)核具有標準8052的所有外設(shè)部件，片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試。C8051F320的USB接口符合USB2.0版規(guī)范，可以實現(xiàn)全速(12 Mb/s)或低速(1.5 Mb/s)的串行通信。C8051F320與USB接口圖如圖6所示。
5 地面中心站
地面中心站接收由傳輸接口通過USB傳輸來的煤礦頂板的地址數(shù)據(jù)和頂板壓力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)規(guī)劃和處理，在監(jiān)控中心顯示屏中實時顯示煤礦頂板地址以及相應(yīng)地址的頂板壓力數(shù)據(jù)。在地面中心站中編制相應(yīng)的管理軟件，將接收的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過鼠標點擊某一地址，就可以查閱該地址處頂板壓力的歷史數(shù)據(jù)曲線和安全數(shù)據(jù)，及時發(fā)出事故報警橙色信息，為預(yù)防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學(xué)的依據(jù)。
本文設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井頂板壓力監(jiān)測控制系統(tǒng)，并設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點頂板壓力檢測、無線傳輸電路。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)對礦井下各頂板壓力的實時監(jiān)測，為預(yù)防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學(xué)的依據(jù)。同時本系統(tǒng)還可以添加相應(yīng)的傳感器監(jiān)測井下作業(yè)區(qū)的溫濕度、氧含量、有毒有害氣體含量、粉塵含量等多種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，這將為煤礦及其相關(guān)行業(yè)的安全生產(chǎn)提供可靠的分析和保障，具有重大的經(jīng)濟及社會意義。
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