煤矿掘进巷道岩石压力监测系统的研究设计

王 磊

（大同煤矿集团有限责任公司云岗矿， 山西 大同 037017）

引言

我国煤矿生产主要为地下开采形式，开采过程需要在井下挖掘大量的巷道，巷道的通畅和围岩的稳定关系着煤矿生产稳定和安全[1-2]。在生产实践中，掘进巷道的围岩压力变化较大，极易发生顶板垮落，需要对巷道的围岩压力进行实时监测预警，以保障生产稳定安全进行。因此针对目前生产中应用的传统围岩压力监测系统存在的监测布线复杂、灵活性差的不足，结合相关资料以及生产规定对煤矿掘进巷道的围岩压力监测系统进行了研究设计[3-5]。

1 Zigbee无线监测系统结构分析

为了保障巷道的通畅与安全需要对掘进巷道的围岩压力进行实时在线监测，以保障生产工作的安全稳定进行。传统的监测方案需要进行布线、布置工作时间长、灵活性差，已经难以满足生产需要。Zigbee 是目前工业生产中广泛应用的一种适用于短距离传输、速率要求不高的无线通讯技术，它基于IEEE802.15.4 通讯协议工作，具有功耗小、成本低的优势，监测中无需人工布线，灵活性好，可以自行组网，自动化水平高，可靠性强。

本文基于Zigbee 无线通讯技术进行煤矿掘进巷道围岩压力监测系统的开发，系统总体设计为三层，包括现场感知层、通讯网络层以及上位机应用层。现场感知层即传感器节点层主要由传感器、单片机、无线收发模块以及外围电路共同组成，完成对压力值得检测、转化、无线传输。通讯网络层主要利用网关节点实现与传感器节点的信息汇聚，网关节点由无线收发模块和单片机以及外围电路共同组成，负责对传感器节点发送的信息进行接收、汇总、转化，并将其传输到上位机应用层。上位机应用层由工控机和声光报警器组成，完成对采集信息的转化处理，根据软件程序进行围岩压力状态判断，决定是否发出警报。监测系统的简要结构如图1 所示。

图1 监测系统的结构图

2 监测系统设计

2.1 系统的硬件选型

综合考虑实际应用环境以及功能需求，首先对构成监测系统的硬件设备进行选型，系统的硬件主要包括传感器、单片机、无线收发模块、上位机、外围电路、电源等。其中，单片机作为系统接收、传输、处理的核心设备，选择TI 公司设计生产的MSP430 型16 位超低功耗微处理器，该MCU 处理能力强，运算速度快，性能稳定具有方便快捷的开发环境。无线收发模块同样选择TI 公司设计生产的CC2430 芯片，它集成了一个2.4 GHz 的射频收发器以及一个8 位单片机共同组成，能够提供以ZigBee 为基础的2.4 GHz ISM 波段应用，且具有功耗低、灵敏度高、抗干扰能力强的优点。传感器选择中拓公司设计的MSJ-202 型矿用锚杆测力传感器进行围岩压力数据采集，该传感器测力量程为0～400 kN，测量误差小于满量程的1.0%，矿用本质安全，信号稳定可靠。

2.2 压力监测模块设计

系统压力监测模块数据来源主要通过布置在锚杆尾部锚杆测力传感器获得，在测力传感器的中空钢筒结构内有3 个振弦式应变计，当锚杆受载时迫使中空钢筒产生轴向的变形时，内嵌的3 个振弦式应变计伴随钢筒产生同步的变形，引起应变计的振弦产生变化，由此改变了振弦的振动频率，以电压形式输出。

传感器采集得到电压形式的振动频率信号，通过传感器线缆导入传感器节点外围电路到达单片机，对数据进行处理运算、转化得到中空钢筒变形的应变量，进一步利用标定系数求出锚杆受到的围岩压力，由无线收发模块将测到的压力数据进行转化，利用RF 模块进行发送，在无线网络中传输，最终汇集到网关节点，由网关节点接收、汇集，转化将数据整合到上位机应用层，上位机应用层依据软件程序对数据进行处理运算、并对掘进巷道压力情况进行显示、存储，在压力异常情况下还可自动发出声光警报。单片机的电源电路如图2 所示。

图2 单片机的电源电路

3 通讯模块设计

煤矿掘进巷道的围岩压力监测，必须保障监测数据的实时在线，需要通过网络传输实现。其中，传感器采集的电压模拟量信息需要经过放大、AD 变化转化为数字量并进行滤波处理，才能根据电压信息的获得振动频率，依据传感器参数求出压力值。

传感器节点的单片机通过串行外设接口（SPI）实现与无线收发模块CC2430 实现同步通讯连接，采用主从方式，MSP430 作为主设备，CC2430 作为从设备，借助4 个管脚完成两者之间的全双工高速通讯，利用其中两条线路完成数据的接收和发送，其余两条线路一条用于时钟传输，另一条用于从设备选择，此外CC2430 还利用4 个引脚表示数据收发状态。MSP430 与无线收发模块CC2430 的SPI 通讯结构如图3 所示。传感器节点与网关节点基于Zigbee无线通讯协议完成自组网，数据接收、发送，最终汇集到网关节点。网关节点基于RS-485 总线协议将汇集的压力数据最终传输到上位机监测应用层。

4 软件程序设计

图3 SPI 通讯结构图

监测系统软件程序完成数据的接收、预处理、运算转化等一系列功能。本文利用LAR Embedded workbench 开发环境进行软件程序的设计开发，该工具集成功能完善、操作简便拥有广泛的程序源代码，可使开发设计周期大大减短，是目前工业界广泛应用的嵌入式开发工具。通过与相关调试器、仿真器搭配，帮助开发者较快完成对MCU 的程序设计、调试、测试等工作。通过将MSP430 以及CC2430 通过外围接口电路与电脑连接，在LAR 中完成对编译环境设置、工作区工程创建后，基于C 语言完成程序编程、协议栈（Z-Stack）函数的调用并配置调试器和仿真器在线完成软件程序的编译连接仿真调试工作。传感器节点软件主程序工作流程如图4 所示。

5 结论

1）该系统的设计结合了煤矿生产实际情况，基于Zigbee 无线通讯技术、单片机技术以及编程理论开发，可实现对围岩压力的实时在线监测预警。

2）该系统具有自动化水平高、可视化、灵活可靠等优势，可大大提高煤矿生产的自动化水平，减少工人的工作量保障煤矿生产稳定与安全。

图4 软件主程序流程图