矿用无线压力传感器的设计

石杰

摘 要：文章介绍了一款新型的矿用无线压力传感器的设计，采用2.4GHz与低功耗技术，实现采面支架压力监测。该设计采用无线传输方式，有效的解决了采煤工作面空间狭小拉线困难、支架移动扯断线缆的问题，同时配合压力监测系统，实现了采煤工作面支架状态的远程数字化监控。

关键词：煤矿；无线传输；低功耗；压力监测

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0094-02

Abstract： This paper introduces the design of a new type of wireless pressure sensor for mining， which adopts 2.4 GHz and low power consumption technology to realize the pressure monitoring of mining face support. This design adopts wireless transmission mode， which effectively solves the problems of the difficulty of drawing wire in small space of coal mining face， the moving of support and the breaking of cable. At the same time， with the cooperation of pressure monitoring system， the remote digital monitoring of the state of support in coal mining face is realized.

Keywords： coal mine； wireless transmission； low power consumption； pressure monitoring

引言

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]。

液压支架是用来控制采煤工作面矿山压力的结构物。采面矿压以外载的形式作用在液压支架上。因此液压支架的支撑力的监测对于顶板安全管理和预防顶板事故的发生都有着重要意义。目前，矿井液压支架压力监测主要以有线传输方式为主。随着采煤工作面的推进以及升降架等操作，有线网络极易被扯断，导致现场采集的压力数据无法实时可靠地上传，为煤矿留下安全隐患[3]。因此本文设计了一款矿用无线压力传感器监测采面支架压力，完全采用无线传输，无需复杂布线，配合无线压力分站实现对采煤工作面的远程数字化监控。

1 无线压力传感器的设计原理与组成

该传感器主要以微处理器为核心，以压力变送器、电源、存储电路、显示液晶、射频模块、红外接收、光控电路等外设共同组成，主要负责采集工作面支架前后柱的工作液压压力，同时将数据通过无线分站传输到地面进行实时监控，其组成框图如图1。

2 无线压力传感器的硬件设计

2.1 MCU核心处理模块

MCU选用的是TI的MSP430F2274单片机，该单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。该系列单片机最大的优势是具有超低功耗能力，在1.8V-3.6V的工作电压范围，0.1μA RAM（ 保持模式），0.3μA（待机模式），（VLO）0.7μA（实时时钟模式），220μA/MIPS（工作模式），在1μs之内超快速地从待机模式唤醒，因此非常适合本次应用。

2.2 无线射频模块

无线射频模块选用的是以TI的CC2530构成的射频模块，它结合了高性能的2.4GHz DSSS（直接序列扩频） 射频收发器和一个高性能低功耗的8051微控制器，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性。CC2530的睡眠模式和其与工作模式超短的激活转换时间使得其RF模块成为针对超长电池使用寿命应用的理想解决方案。其集成的增强型8051控制器可以实现系统编程，嵌入自组网协议，使传感器成为自组网网络节点。

2.3 电源

传感器采用内置电池供电，理论上电池容量越大，传感器工作时间越久，由于矿井下的特殊环境限制了电池容量，因此我们选用3.4Ah的一次性锂电池，自放电率低，温度特性好。

2.4 光控显示

传感器具备液晶显示、红外遥控等人机交互功能，方便用户实时查看传感器数据和对传感器进行设置，但是这些功能会产生较大的功耗，因此当传感器独自工作时，这些功能需要关闭。我们采用光照控制方式来对这些功能进行开关。光照控制主要由光敏二极管组成，当外界强光照射时，光敏二极管的光电效应可以产生更大电流，配合电阻可以在单片机的中断引脚产生触发电平，唤醒单片机进入显示红外功能。

2.5 低功耗设计

传感器的低功耗设计需要在硬件设计和软件设计上进行多方面的综合考虑：

（1）选择低功耗的元器件，本次设计选取的单片机、射频芯片、存储芯片等都是采用低电压低功耗器件。

（2）单片机和射频模块休眠时采用32.768KHz的低频晶振，这个晶振用于给睡眠定时器提供振荡周期，这种情况保证了单片机休眠时低功耗性能。

（3）在休眠时通过三极管关断传感器无需工作的外围设备，包括压力变送器，红外接收器。显示液晶在常态下处于关闭状态，当产生光照触发或者定时器唤醒后才工作。

（4）传感器采用工作休眠机制，4s工作一次，工作时进行采集处理后发送数据，此时电流消耗大，因此尽量缩短此时工作时间，工作結束后即关闭相关部件，传感器进入休眠。

通过合理的断电休眠方式，最终实现传感器整机平均电流0.5mA左右的低功耗性能。

3 无线压力传感器的软件设计

在现场的实际使用中，液压支架工作的大部分时间里，压力信息值的变化是很小的，在软件设计流程中采用间歇性的采集压力信息，可以大大降低设备的功耗[2]。传感器软件运行流程如图2所示。

传感器开机后，进入初始化状态，初始化内容包括单片机各功能引脚和功能外设初始化、晶振自检、传感器参数预读取、复位故障记录、液晶显示开机画面等等。初始化结束后传感器进入LPM3休眠状态，此时可以通过中断唤醒。

该传感器设计有两个中断唤醒源（1）休眠定时器中断（2）外部光控引脚中断。当中断产生后，程序判断是哪种中断。

如果是定时器中断，则进入AD采集，采集当前的压力值和电池电压值，采集完成后关闭AD并进行数值处理，然后唤醒射频模块，将数值填充入串口数据包发送给射频模块，由射频模块自主完成无线信号上传。

如果是外部光控引脚中断，则打开液晶，显示传感器压力值和电量等参数，并打开红外遥控功能，给用户进行遥控设置。如果未有遥控操作，则3s后液晶自动关闭，关闭红外遥控功能，以节约电池电量。

中断任务结束后，单片机关闭传感器各个外设功能，并进入LPM3休眠状态，等待下一次唤醒。

4 结束语

通过本次无线压力传感器的设计方案，实现了采煤工作面支架压力的无线监测。在安装实施过程中，节约了大量的线缆铺设工程，安装方便。在实际运行过程中，客户使用操作简单易行，配合压力监测系统可以实现远程监控。当然本设计中还存在一些缺陷，无线信号传输易受遮挡，在支架移动交错的时候有可能出现传感器短时间掉线的情况。这种情况下可以加入无线中继器进行信号的中继，可以解决此类问题。

参考文献：

[1]陈斯，赵同彬，高建东，等.基于ZigBee的综采工作面顶板压力无线监测系统[J].煤矿开采，2011，4.

[2]李继云，赵小兵.矿用无线液压支架压力传感器的设计[J].煤矿机电，2014.

[3]王桃，刘晓文，乔欣，等.基于无线传感器网络的液压支架压力监测系统设计[J].工矿自动化，2014.