矿用无线顶板离层监测仪的设计

王学水，刘培顺，闫方举，井维华，郭潇蔚

（山东科技大学，山东青岛 266510）

矿用无线顶板离层监测仪的设计

王学水，刘培顺，闫方举，井维华，郭潇蔚

（山东科技大学，山东青岛 266510）

利用2.4GHz无线通信技术设计了一种矿用无线式顶板离层监测仪，利用MSP430系列微控制器及nRF24L01+射频芯片，通过无线方式上传监测数据，解决了传统机械式和红外式离层监测仪的各种弊端，使得顶板离层位移数据的抄收变得简单、方便、快捷。

顶板离层监测仪;无线数据采集;2.4GHz;MSP430;nRF24L01+

顶板事故一直是煤矿的多发事故，而顶板离层冒顶事故占顶板事故相当大的比例。顶板离层系指巷道顶板岩层中一点与其上方一定深度内岩层中某点的相对位移量，是巷道围岩变形和破坏的主要形式之一。当顶板离层超过一定范围，即表明顶板处于非稳定状态，应及时采取相应措施，否则会导致恶性顶板事故的发生。

顶板离层监测仪 （以下简称离层仪）是通过监测顶板离层位移量从而监测煤矿井下顶板围岩锚护程度。最早使用的顶板离层仪为机械式离层仪，只能人工读出标尺的数值，读数既不直观又不准确，而智能化红外式离层仪不但解决了上述问题，还可通过红外方式采集和存储数据，供统计分析使用。但是，这种仪器易受环境光线的干扰，抄收时须保持较高的方向一致性，且不能被遮挡，抄收数据的速率也很低，给数据抄收带来了诸多不便。为解决上述问题，设计了无线式顶板离层仪。

1 离层仪的原理设计

设计的以2.4GHz频段的无线信号为载体传输数据的无线式离层仪，能够自动监测和记录数据，并把采集数据通过无线电载波传输到无线数据采集器上。与传统的机械式或红外采集式离层仪相比，传输速率快、抗干扰性强、操作简单方便，更好地适应井下复杂的生产环境，提高了工作效率。离层仪主要包含离层量测量模块、无线通信模块、显示模块等部分，其原理框图如图1。

图1 无线采集器原理

本设计中使用的微控制器为TI公司MSP430系列单片机，该系列控制器功耗低，非常适合应用在电池供电的系统中，且其片上资源丰富，能减少外围电路，降低设计成本，提高设计效率。

顶板离层仪的数据采集是利用MSP430片上比较器Compare_A和定时器Timer_A完成。测量结果按照协议规定的格式存储在存储器内，待接收到使用手持式无线采集器发来的采集数据指令时，离层仪将数据取出并通过无线通信模块上传到采集器。

2 离层仪的数据采集

矿山顶板围岩的离层位移量是缓慢变化的，所以对位移量的测量不需要很高的采样频率，每间隔5min自动采样1次，因此，用MSP430单片机的片上自带的比较器Compare_A和定时器Timer_A组成与sigma－delta技术相似的积分型slope A/D转换器。单片机外围电路中只增加了一个参考电阻及电容即可实现对离层位移量的精确测量功能。仪器使用拉线电阻式位移传感器，拉线变阻器将离层的位移量转换成变阻器的阻值变化量，位移量变化时变阻器的阻值按照相应的比例变化，离层位移量的测量原理示意如图2.

图2 位移测量原理示意

测量电阻值时，微处理器首先控制管脚对电容充电至电源电压，之后通过标准参考电阻Rref放电，当电容上电压大于微处理器内部比较器负输入端的参考电压值Vref时，比较器输出高电平至定时器的捕获单元，当电容上电压值小于参考电压值Vref时，比较器输出低电平至定时器的捕获单元，即当电容电压放电至与参考电压Vref相同时，比较器数据端参数一个由高到低的跳变，微控制器通过定时器记录从开始放电到产生跳变的时间Tref，通过相同的步骤测得通过变阻器放电的时间Tx。

根据电容充放电公式V（t）=V0·e－t/RC可以推导出公式

式中，Rx是变阻器待测的阻值;Rref是标准参考电阻的阻值;Tx是通过变阻器放电用的时间;Tref是通过参考电阻放电用的时间。

再由拉线变阻器的阻值与位移长度的关系曲线，就可以换算出此时的顶板离层位移值。

这种方法的采样时间依赖于电容的充放电时间，与采用A/D转换芯片的方法相比采样速率较慢，但是对于缓慢变化的离层位移来说，其采样时间并不会影响到离层仪的使用。而且除了其内部的定时器和比较器之外，外围电路只需要一个参考电阻及电容，电路结构非常简单，省去了运算放大电路及A/D转换电路，降低了整机的功耗，既简化了电路结构又降低了仪器成本。

3 离层仪的数据传输

设计中无线通信部分使用了挪威NORDIC的超低功耗单芯片射频收发器nRF24L01+。该收发芯片工作于全球开放的2.4GHz频段，使用高效的GFSK调制方式，抗干扰能力强，内置硬件CRC检错模块，降低通信数据的误码率，同时内置有自动应答机制，数据包不易丢失，此外其发射速度高，最高可达到2Mbps，可以减少数据在空中的传输时间，降低了数据碰撞的概率。nRF24L01+芯片的原理框如图3。

图3 nRF24L01+的原理

从图3中可以看出，控制器只需通过SPI（片选端、时钟输入、数据输出和数据输入）接口写芯片的寄存器就可实现对芯片操作控制，而且芯片内部集成了GFSK调制模块、信号放大器及低噪声放大器等，设计时不必单独设置这些功能模块。

nRF24L01+芯片在Enhanced ShockBurstTM收发模式下，可以将控制器低速发来的数据并高速发送出去，减少了发射时间，降低了功耗。并且此芯片整合了射频协议，发送数据时可以自动加上字头和CRC效验码，接收到数据时自动去掉字头和CRC效验码，提取出有用数据信息传送给控制器。所以控制器完全不用考虑射频信号协议的处理部分，降低了系统设计难度。

射频信号的接收和发射过程完全由nRF24L01+芯片自主完成。发射数据时，只需控制器将数据写入模块并将其配置成发送态;要接收数据时，则只需配置成接收态即可。当发送成功、发送失败或者接收成功时，芯片IRQ端会产生一个低电平信号告知控制器，控制器根据信号源的类型进行相应的处理。

无线式顶板离层仪需要与无线式数据采集器配套使用，工作人员可以通过无线式数据采集器对离层仪进行参数设置、查看和数据抄收的操作。与无线数据采集器通讯时，离层仪的工作流程如图4。

图4 无线通讯流程

离层仪的无线模块配置为接收状态后，开始对空中无线电波进行扫描。一旦接收到数据，就对数据内容进行判断，若是发送给本机的指令则继续判断执行，否则该指令被丢弃，并重新进入接收状态。而执行完相应的子程序后，离层仪将无线模块配置成发送状态，将指令执行成功标志发送给无线数据采集器。当采集器接收到此成功标志时即认为所发送的指令已经被接收到，并被正确地执行了。

4 几个注意的技术问题

（1）无线部分功耗的控制 设计的离层仪是以电池为电源的仪器，所以要求系统功耗足够低，以延长离层仪的使用期限。本设计中选用以低功耗著称的MSP430系列单片机作为控制器，其休眠时能1uA左右。另外射频芯片 （nRF24L01+）也是低功耗的，但其接收状态下电流约为12mA。显然长期处于接收状态会增大功耗，因此选用光控开关对其电源进行控制。当需要对离层仪进行设置或抄收数据时，使用矿灯照射，即可打开无线通信部分的电源，进行无线通讯。

（2）离层仪编号的问题 首先，若作为只显示离层位移量这种单一功能的传感器，各离层仪并不需要进行区分。但是本文设计的离层仪，其监测的数据可以通过无线采集器上传至计算机上，最终用PC机软件对数据进行直观详细的分析处理。每一个离层仪的数据代表的此时其所在具体位置、测点的离层变化情况，所以需要将其分别编号区分开来。其次，如果不对其进行分机编号，当2台或2台以上离层仪同时接收到一指令时，会同时返回相应的数据，此时会产生信号阻塞，无线采集器接收不到数据或者接收到错误的数据。因此在设计时，设置了分机编号这一参数，每一个离层仪对应一个编号，在分析数据时能够用于区分各离层仪，同时通信协议规定发送指令时，数据包的第一字节为分机编号，只有指令中的编号与本机编号相同时才进行相应的处理，否则丢弃此指令，不做响应。

（3）通讯干扰问题 实验中，发现无线采集器与离层仪的通讯过程中有时会突然产生错误，致使通讯失败。经过检查分析，发现当离层仪甲与采集器正常通信时，若有另外的采集器乙处于接收监听状态，因为两个采集器工作在同一频段2406MHz，乙能接收每一个数据包，若某一数据包内第一字节数据与乙的编号相同，则乙就会返回一些信息，致使采集器同时接收到两个离层仪的数据，产生错误，导致通信中断。根据这一分析以及nRF24L01+芯片具有工作频率可自定义的特性，设置了2个通讯频道:通用频道和专用频道。离层仪处于接收状态时使用通用频道2406MHz，一旦与采集器建立起无线链接后，二者转入专用频道2463MHz进行数据传输。因为频率不同，其他离层仪接收不到任何数据，更不会因为接收到的信息产生误操作。

5 结束语

本文所设计的无线式离层仪与传统的机械式和红外式离层仪相比主要优势体现在:

（1）传输速率高 实际测量传输速率大约9600bps，远大于红外传输速率。能够在较短的时间内传输更多的数据。

（2）数据误码率几乎为零 数据传输时自动进行校验，校验失败会自动重新发送，且抗干扰性强，数据不易受环境干扰。

（3）工作环境要求降低 传统红外离层仪因使用的红外波段很接近可见光波段，因此环境光线及可见度非常容易影响红外通讯效果。无线式离层仪处于粉尘浓度较高或者有强光的环境下也能正常使用。

（4）操作要求降低 红外方式要求工作人员在采集数据过程中必须将采集器对准离层仪，且不能中途移动或被遮挡，而对于无线式离层仪，只要在最大通讯距离之内，采集器都能采集到数据。

经在山东晨晖电子科技有限公司一系列的试验及山西华融龙宫煤业有限公司龙宫矿的实际使用经验，在10m范围内使用无线数据采集器可以成功采集到无线顶板离层仪的数据，并对其进行参数设置，证明无线式离层仪能够完成设计功能，且在各方面都具有优势，同时由于采取的一些降低功耗的措施方法，整机平均功耗能够维持在10uA以下，离层仪的电池寿命完全能够满足工作要求。

［1］ Nordic Semiconductor.nRF24L01+Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification［M］.USA:ASA，2007.

［2］ MSP430x4xx Family Users Guide［Z］ .2010.

［3］ Drin C，Peter M.Mean Shift:A Robust Approach Toward Feature Space Analysis［J］ .IEEE.Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2002，24（5）:603－619.

［4］闫方举，刘培顺，杨卫平.基于MSP430单片机slope功能的电阻测量方法 ［J］.科技信息，2011（8）:451－452.

［5］沈开奎.新型无线煤矿压力采集和智能分析系统的研制［D］.太原:太原理工大学，2007.

［6］陈新兴，林其伟，高 银.基于nRF24L01无线巷道离层仪设计 ［J］.福建电脑，2008（1）:17－20.

［7］张广红.基于 MSP430单片机的煤巷顶板离层监测仪设计［J］.机械工程与自动化，2010（2）:141－143.

Design of Mine Wireless Roof Separation Monitor

WANG Xue-shui，LIU Pei-shun，YAN Fang-ju，JING Wei-hua，GUO Xiao-wei
（Shandong University of Science＆ Technology，Qingdao 266510，China）

A mine wireless roof separation monitor was designed by applying 2.4GHz wireless communication technology.Monitoring data was uploaded by wireless manner by applying MSP430 series micro-controller and nRF24L01+radio frequency chip.This dissolved some shortcomings in traditional mechanical and infrared roof separation monitor and made copy of roof separation data easy，convenient and fast.

roof separation monitor;wireless data collection;2.4GHz;MSP430;nRF24L01+

TP216

A

1006-6225（2012）02-0051-03

2011－10－08

王学水 （1964－），男，山东泰安人，教授，主要从事传感技术与智能仪表方面的研究工作。

［责任编辑:邹正立］