基于 ZigBee的综采工作面顶板压力无线监测系统

陈 斯,赵同彬,高建东,杨增汪

(1.徐州师范大学物理与电子工程学院,江苏徐州 221116;2.山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛 266510;3.徐州矿务集团庞庄煤矿安监部,江苏徐州 221141)

基于 ZigBee的综采工作面顶板压力无线监测系统

陈 斯1,赵同彬2,高建东3,杨增汪1

(1.徐州师范大学物理与电子工程学院,江苏徐州 221116;2.山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛 266510;3.徐州矿务集团庞庄煤矿安监部,江苏徐州 221141)

基于 ZigBee协议栈,设计了一种矿井综采工作面矿压无线监测系统。系统通过压力传感器检测工作面顶板压力,经 ZigBee无线系统传输至地面上位机并通过 LabV IEW自动绘制成压力曲线图,实现综采工作面顶压力的实时采集、测量、无线传输通信功能。

综采工作面;压力监测;无线传输

在煤矿的各类自然灾害中,顶板事故是煤矿的多发事故。资料显示在煤矿生产中重大事故 40%以上由顶板事故引起[1-3]。因此,如何实时、有效地监测顶板的压力已经成为煤矿安全监控系统中的研究重点[4]。

目前国内矿井综采工作面的顶板压力监测系统一般采用在液压支架上安装数字压力计,通过人工定期检查压力计数据并手工绘制曲线来分析顶板压力的运动规律[5,6]。这种方法不仅费时费力,而且无法体现矿压数据的实时性。近年来出现了在井下安装压力传感器并敷设电缆来传输数据的矿压监测系统[7],但是随着工作面的推进,矿井结构不断发生变化,高地压作用会使巷道变形,对通信线路的延伸和维护带来很大的困难。此外有线通信方式布线烦杂,劳动强度较大,容易出现监控盲点。一旦通信线路由于某种原因发生故障,整个安全监测系统就可能瘫痪,严重影响了系统的可靠性。

针对目前矿压监测系统的不足之处,以徐州矿务集团庞庄煤矿 942综采工作面为研究对象,提出了一种基于 ZigBee技术的综采工作面顶板压力无线监测系统。

1 顶板压力无线监测系统架构

庞庄煤矿 942综采工作面位于井下 -620m水平采区,工作面长 100m,平均采高 3m,安装液压支架 70架。目前工作面采用指针式压力计测量顶板压力,通过人工读表采集数据并进行分析。新设计的无线压力监测系统网络结构如图 1所示。

图1 综采面压力无线监测系统网络拓扑

系统由压力传感器节点、网络路由器、网络协调器及井上监控中心等部分组成。工作面安放 4个压力传感器,分别布置在 5号、25号、45号和 65号支架内,对顶板压力实时采集。节点将采集到的实时信息通过无线方式传送到路由器节点。协调器负责接收路由器发送过来的数据,对数据进行初步处理经副井中的 RS485专用电缆将数据传送至地面服务器,由连接在服务器的监控设备对压力信息数据进行监控分析,同时绘制成实时图形曲线。

2 系统结构及硬件电路

2.1 系统结构

顶板压力监测系统主要包括传感器节点、路由器、协调器 3部分,如图 2所示。系统主控制器件采用 Freescale公司新一代 ZigBee平台 SoC芯片MC13213,其采用 SIP技术在 9mm×9mm的 LGA封装内集成 1个 8位主控MCU和 1个低功耗射频收发器。其中主控 MCU是 HCS08系列最新的MC9S08GT60,具有 64KB Flash和 4KB RAM,足够存放 ZigBee的协议栈并运行简单的应用程序,其 CPU时钟频率高达 40MHz,能够很好的支持高实时性的无线射频模块。射频收发器工作在2.4GHz IS M频段,设计构架符合 IEEE802.15.4标准,可提供 250kb/s的数据吞吐率和 16个可选的信道。采用直接序列扩频的二进制编码方式,增强了抗干扰能力;采用数字相移键控调制技术,大大降低了数据传输的误码率;采用免冲突的载波检测多址接入机制,避免了数据传输过程中的冲突。

图2 系统结构

2.2 压力传感器节点硬件电路设计

压力传感器节点是整个系统的重要部分,其硬件电路框图如图 3所示。主要包括电源、传感器、信号调理电路、天线匹配电路、复位及时钟等模块。压力传感器将检测到的数据经信号调理电路后送到MC13213的 HCS08进行处理,并经射频模块将信号发送出去。

压力数据的采集采用 sns/dmd/c型压力传感器。安装在液控单向阀和立柱下腔之间,检测立柱下腔的压力。sns/dmd/c矿用本安型压力传感器为全不锈钢圆柱型结构,体积小,重量轻,使用方便,适用于煤矿井下恶劣的环境。其压力测量范围最高达到 66MPa,零点输出 0.2mA(0MPa),满量程输出小于 1.3mA (60MPa)。sns/dmd/c压力传感器采用压阻应变的 4个金属溅射电阻组成电桥电路,如图 4所示。R1,R2,R3和 R4为溅射在敏感元件弹性片上的电桥电阻,其中相对设置的一对电阻受压,另一对受拉。流体介质压力直接作用在敏感元件的弹性体膜片上,使膜片产生变形,惠斯登电桥的电阻值发生变化 R1R3≠R2R4,电桥失去平衡,输出与压力成正比的电信号。此电信号经运算放大器 AD620放大后接到MC13213的 AD1P0端口进行A/D转换。

图3 压力传感器节点硬件

图4 压力传感器电路

3 系统软件设计

3.1 下位端软件设计

下位端软件主要包括传感器节点入网、路由器转发及协调器采集 3部分。协调器主要负责组建一个新的网络,接收来自于路由器的数据,开启空闲通道等功能。而路由器与压力传感器节点功能相似,主要负责加入网络、周期性的发送数据等功能。图 5所示为压力传感器和协调器节点的软件设计流程图。首先网络协调器上电初始化 ZigBee协议栈,进行信道扫描,选择一个信道和网络标识,开启一个网络,等待其他设备加入网络。传感器节点或路由节点上电初始化后,首先进行信道扫描,寻找网络协调器并申请加入,如果没有加入成功,则重新加入网络,直到收到响应信号,获得 16位的网络地址,则加入网络成功。然后协调器和终端节点进行数据通道的绑定,分别执行发送数据和接收数据的函数。

图5 传感器和协调器节点流程

3.2 上位端软件设计

上位机采用软件 LabV IEW设计压力监测系统的界面,通过 RS485总线与下位机协调器进行通讯,实时接收下位机采集到的顶板压力数据,并绘成曲线图,其界面如图 6所示。

图6 顶板压力监测界面

界面可以实时显示顶板的压力数值、实时绘制压力曲线、历史压力数据及迄今为止整个压力曲线图,同时可以外接打印机打印压力数据表。另外可以根据实际情况设定最大压力上限值,当顶板压力值超过此上限时系统自动发生报警。

4 工作面矿压观测结果

根据 5个多月的试验,942综采工作面的液压支架最大工作阻力为 52.16MPa,最小工作阻力为16.2MPa。初次来压平均步距为 28m,最大周期来压步距为 25m,最小周期来压步距为 16m,周期来压平均步距为 22m,如表 1所示。

表1 942工作面来压步距

5 结论

针对目前煤矿顶板压力监测的不足,结合庞庄煤矿高压力实际情况,将 ZigBee无线压力监测系统应用于 942综采工作面。与传统的人工监测技术相比,本系统具有实时性强、稳定性好、测量精度高等特点,大大节省了人力和时间。此外,本系统还可以与瓦斯、煤尘等实时监测融为一体,经服务器与局域网相连,整个矿务局经局域网均可观测到监测的数据,具有较好的应用价值。

[1]刘 亮,刘 毅,刘明举 .2002～2003年我国煤矿死亡事故统计分析 [J].煤炭科学技术,2005,33(1)：7-9.

[2]刘丛喜 .采煤工作面顶板事故分析与预防 [J].煤炭技术,2009,28(7)：169-170.

[3]卢振龙,卢国斌 .矿井监测监控概述 [J].煤炭技术,2008,27(11)：85-86.

[4]蒋 磊,江 敏 .基于 ZigBee技术的矿山压力监测系统[J].科技传播,2010,(12)：207.

[5]李志强,董慧群.朝阳煤矿矿压观测与分析 [J].煤矿支护,2009,(4)：36-38.

[6]张 剑 .综采工作面新型矿压监测仪器在中兴煤矿的应用[J].煤矿开采,2007,12(3)：73-74.

[7]付东波 .基于 uCAN总线的矿山压力监测远程传输解决方案[J].煤矿开采,2010,15(4)：121-124.

[责任编辑：邹正立 ]

Wireless Monitoring System of Roof Pressure in Full-mechanized Mining Face Based on ZigBee

CHEN Si1,ZHAO Tong-bin2,GAO Jian-dong,3,YANG Zeng-wang1
(1.Physics&Electronic Engineering School,Xuzhou Normal University,Xuzhou 221116,China;2.Resources&Environment Engineering School,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 266510,China;3.Safety Supervision Department,Xuzhou Mining Group,Xuzhou 221141,China)

Based on ZigBee protocol,a wireless monitoring system for underground pressure of full-mechanized mining face was designed.The system could monitor roof pressure of mining face and transmit it to surface by pressure sensors and automatically plot pressure curve by LabV IEW.It realized real-time data collection,monitoring and wireless trans mission of roof pressure in full-mechanized mining face.

full-mechanized mining face;pressure monitoring;wireless transmission

TD323

A

1006-6225(2011)02-0107-03

2010-12-02

国家自然科学基金资助项目 (51004068)

陈 斯 (1973-),男,江苏宿迁人,讲师,硕士,主要从事嵌入式系统及模拟集成电路的设计、研究与教学。