基于ZigBee的礦井錨索應力監測模擬實驗平臺

趙明元，程永強

(太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024)

眾所周知，山西作為煤炭大省一直是中國能源的一個重要基地，然而近年來在煤炭開采過程中煤礦事故頻發一直是制約山西煤炭企業健康發展的一個重要因素。在2010年統計的64起山西煤礦各類事故(見表1)中，由頂板問題引起的傷亡事故一直居高不下，在山西陽城煤礦關于頂板巖層應力的監測中，要求在煤礦各巷道每50 m一個測量處采取6點應力、1點位移的設備安裝措施，此外頂板事故相對瓦斯事故和透水事故有比較大的可避免性，所以礦井頂板應力數據的測量就成為煤礦安全非常重要的一個方面。

基于此，利用太原理工大學在礦山安全學科方面的優勢，在礦業安全實驗室和力學實驗中心利用現有的儀器設備資源開發了一種模擬監測礦井頂板錨索應力數據的智能平臺。本實驗平臺為了達到盡可能逼真的效果，考慮了真實煤礦礦井下對設備低功耗、實時監測性和安裝操作簡單的要求，開發了一種以ZigBee傳輸協議為核心的全自動采集處理應力數據[1-4]、無線傳輸數據、實時上傳數據、不工作時自動進入休眠模式的實驗平臺。平臺運行穩定，可以實時采集數據、傳輸數據、存儲數據，并且超過預定值時會進行報警以便通知監測人員采取加固措施。本實驗平臺為學生了解煤礦頂板監測系統原理及過程提供了有效途徑，同時也能幫助學生提高動手能力、分析解決問題的能力和學科知識的能力。

表1 2010年山西煤礦安全事故統計

1 實驗平臺整體結構

實驗平臺在力學實驗中心搭建，主要由電子萬能試驗機、電阻應變式壓力傳感器[5-7]、分站、主站及上位機組成。應變式壓力傳感器在電子萬能試驗機所加壓力下模擬完成頂板施加應力的數據轉換，差分輸出幅值隨所加壓力大小線性變化的電壓信號。分站負責對傳感器輸入的微弱信號進行濾波、放大、模數轉換以及就地顯示和無線傳輸給下一個分站。主站無線接收分站的數據、存儲數據、顯示數據曲線以及通過光纖傳輸給PC端的上位機，并且接收上位機的命令來管理分站，監測人員通過上位機軟件就可實時觀測應力變化情況。圖1顯示了模擬煤礦巷道頂板應力監測所搭建實驗平臺的總體分布結構。

圖1 實驗平臺整體結構

1.1 應變式壓力傳感器工作原理、設計及標定

本實驗平臺所用電阻應變式壓力傳感器主要由承重彈性圓筒、密封殼體、電阻應變片及信號傳輸電纜組成，當電子萬能試驗機對傳感器施加壓力時，會引起彈性圓筒的變形，并傳遞給粘貼在圓筒臂上的電阻應變片，這樣電阻應變片的阻值發生變化，然后通過適當的連接轉變為電壓的變化，從而通過后續電路便可測出具體數值。根據試驗機500 kN的量程及考慮實際礦用壓力傳感器承受頂板應力的范圍，使用了量程為400 kN、中心是中空的穿心式結構傳感器，并且為了消除因施加載荷偏心而產生附加彎曲的影響，在圓筒狀彈性剛體上沿周邊和軸向對稱位置布置了8個應變片，然后應變片以全橋的方式接入后續電路。此法相對四應變片結構提高了橋路輸出信號，同時4個溫度補償片也很好地保證了測量過程中的精確性。圖2顯示了八應變片結構的具體位置分布及電路接入方式，其中R1、R2、R7、R8這4個應變片進行傳感測量，其余4個則起溫度補償作用。

圖2 傳感器結構和在電路中接法

由于應變片應變值與傳感器所受應力值成線性關系，利用萬能材料試驗機對傳感器進行了應變-力值的標定，具體做法是把傳感器與應變儀進行全橋連接，然后在試驗機上以一定的力值間隔給傳感器施加壓力，同時觀察應變儀上的應變讀數，最后把觀測到的數據通過最小二乘法進行擬合處理，看其是否滿足一定的線性關系。通過考慮綜合情況完成傳感器結構的選擇以及標定后，保證各方面參數均無差錯，便可應用于本實驗平臺中。

1.2 實驗平臺硬件設計

1.2.1 平臺分站電路模塊設計

分站處于整個實驗平臺的前端，它與萬能試驗機上的壓力傳感器相連，既可以單獨工作，又可以加入ZigBee網絡進行互連。它主要由主處理器模塊、電池及保護模塊、信號調理模塊、數碼管顯示模塊及射頻功放模塊組成。分站結構見圖3。

圖3 分站電路模塊

在分站電路中，首先接收來自壓力傳感器的微弱差分信號，此信號幅值大小大約在0.3～5 mV之間，所以必須先進行濾波和放大預處理，選用了TI的模擬前端LMP90100作為信號調理端的器件，可編程的放大倍數以及24位分辨率的模數轉換足以保證傳感器端信號穩定精密的放大和轉換；同時輸出端的SPI接口和7個通用的I/O口，既為與分站處理器的連接提供了方便，又減少了處理器所復用的I/O口，提高了系統的可靠性。調整電路之后，進入主處理器。采用了基于增強型的8051內核，具有ZigBee應用的RF內核的CC2530芯片[8-10]，它優良的低功耗性能保證了以電池供電的可移動分站工作的持續長久性，使平臺分站在容量為2.5 Ah的電池供電下可以工作長達半年之多，滿足學生半個學期的使用。CC2530自帶的RF內核使分站與分站之間可以通過無線來進行通信，省去了在實驗中心布線的麻煩，增加的發射接收功率放大電路，保證了相鄰的2個分站能夠互相無差錯地通信，同時中間有分站發生故障后信號還能和下一個分站進行無線連接，以提高系統的可靠性。數碼管驅動電路保證能夠就地實時顯示分站所采集的應力值，使分站在脫離系統時也可以獨立工作，此模塊的電源通過一個MOS管開關可以自由切換，保證系統在不工作時此模塊斷電，同時分站長時間不工作時會進入休眠模式，以此最大限度降低系統的功耗。整個分站還可在不工作時通過外部觸發中斷觸發喚醒，以便實時顯示當前的應力值。

1.2.2 平臺主站電路模塊設計

主站在整個實驗平臺中起承上啟下的作用，它不僅要與分站進行通信來獲取數據，還要與上位機通信進行上傳數據或接受命令來對分站進行管理。主站主要由主處理器模塊、電源保護模塊、無線傳輸模塊、存儲模塊、USB模塊、液晶屏顯示模塊及以太網轉光纖模塊組成，結構見圖4。

圖4 主站電路模塊結構

主站負責連接分站和與上位機進行通信。主站采用了適合于工業控制的STM32F103控制器為核心[11-12]，同時加入了ZigBee模塊，以便與分站無線通信進行數據交換或者接收上位機的命令對分站進行設置。主站中的電源保護模塊中加入了可控硅及肖特基二極管，防止在操作實驗平臺時正負極接反及短路現象。在與上位機通信中，主站通過以太網模塊和以太網轉光纖模塊與上位機的光交換機以光纖為傳輸介質進行通信，光纖強大的抗干擾性使在噪聲多的環境下通信的可靠性有了很大改進，同時又提高了通信速率，保證了它的有效性。主站中16 MB容量的Flash模塊可以供8個分站的數據存儲6個月以上的時間，主站自帶127mm(5英寸)液晶屏，可以顯示各個分站傳輸回來的數據以及對各個分站進行設置。主站的USB模塊可以隨時用U盤拷貝主站中所存儲的數據，確保在上位機發生故障時能夠及時得到數據。主站上的各模塊在設計時還加入了防止電流電壓過大的保護電路，這一方面是防止某部分電路發生故障時能夠及時切斷電源停止工作，另一方面為了模擬的逼真性也考慮了實際礦井下對電路設計時本質安全性的要求。

2 實驗平臺通信協議設計

目前在力學實驗中心搭建的實驗平臺由5個分站和1個主站組成，考慮到實際礦井巷道的距離比較長，采用了點對點的傳輸方式進行設備之間的通信，平臺分站及主站正常工作時的通信過程主要由以下3個步驟來完成：

(1) 地址設定。初次使用首先進行各個分站地址的設定，通過主站上由GUI設計的分站總數命令按鈕進行設定，輸入分站總數5后，主站上的ZigBee模塊收到地址設定命令后會把自己的地址設為6，然后通過無線傳輸給離主站最近的分站，分站收到地址信息后會把自己的地址設為5，依次這樣手拉手式的傳遞給下一個分站，一直到1號分站結束。地址設定完成后地址信息會保存在掉電不消失的Flash里邊，這樣地址設定只需要在初次實驗時設置。地址設定完成后就進入到整個系統的正常循環工作狀態，

(2) 同步時間校準。在使用實驗平臺正常工作時，分站預設置為2 min采集一次數據，5 min給主站傳輸一次數據，在每次傳輸數據前，會首先進行同步時間校準的設置，主站會把自己的實時時鐘信息發送給分站，然后分站再依次傳遞下去直至1號分站。為了保證通信的可靠性，每進行一次通信傳輸，接收的分站都會給發送的分站一次應答信息，同時中間有分站發生故障不能正常工作時，會自動跳過此分站與下一個分站繼續通信。

(3) 數據回傳。當1號分站收到同步時間數據后，會根據自己是1號分站的特殊身份自動轉入到發送數據狀態，而前邊時間同步完成的所有分站會處于等待接收數據狀態，所以處于接收數據狀態的2號分站會收到1號分站發送的數據，然后2號分站就把自己的數據也放在收到的數據包里，打包好后一并發給3號分站，依次一直到主站收到所有的數據。中間如果有分站發生故障也會自動跳入相鄰的下一個分站進行通信，并且發生故障的分站的數據會以一個特殊的字符代替以便及時處理不工作的分站。當主站及上位機收到全部數據后，一次整個通信過程就成功完成，此時各個分站會自動進入休眠模式保持低功耗運行，5 min后分站會自動喚醒，進入等待接收同步時間狀態來進行下一次的傳輸。主站則在實時操作系統控制下，及時響應上位機的命令、外設的各種請求及準備下一次的通信。通過上位機或主站都可以對分站進行相應的設置。圖5給出了實驗平臺5個分站的地址設定過程、一次同步時間及回傳數據過程。

圖5 實驗平臺通信協議及數據傳輸過程

3 實驗平臺性能測試

在力學實驗中心，用電子萬能試驗機對應變式壓力傳感器施加的壓力來模擬礦井頂板對錨索及相應傳感器所產生的應力，把此傳感器引出電纜接入平臺某一分站上，然后依此擺放其余4個分站、1個主站及上位機。首先進行各分站地址的設定，在主站上分站總數設置欄里輸入5，離主站最近的分站會把自己的地址設為05，最遠端的分站會設為01；地址設定好后，保證各分站、主站都處于工作狀態時，開啟電子萬能試驗機，對應變式壓力傳感器施加壓力，每間隔40 kN觀察一次傳輸回來的數據，總共所加力值范圍為0～400 kN，在這10個點上記錄主站或上位機傳輸回來的數據，與電子萬能試驗機所加力值進行對比?？梢钥吹剑浩溆?個分站由于沒有加傳感器，所傳回來的力值顯示為0。表2為1號分站傳輸回來的數據與實際值的對比。圖6則為用最小二乘法一次擬合出來的關系曲線，具體關系為

y=1.002x-1.1364

(1)

其中y對應實測力值，x對應試驗機的力值?？梢钥闯?，系數1.002約等于1，基本滿足實驗要求。由表2可以看出：傳感器在0～80 kN范圍的壓力下相比在80～400 kN范圍壓力下的誤差偏大，造成圖6不是一條完全線性的直線，這是由于傳感器彈性剛體本身材料性能所引起的，而在實際使用時最大2 kN的誤差(也就是說是總量程的0.5%)，完全可以滿足所需精度要求；然后用關閉某一分站的電源來模擬分站損壞的情況，用同樣的方法觀測試驗機和上位機的數據，可以發現數據可以跳過損壞分站進行傳輸，具體數值與上邊基本相同。用秒表可以觀察到分站傳輸完數據進入休眠模式，5 min后自動喚醒后進行下一次的通信。最后短接和反接電源分站及主站均不受此影響而損壞。

表2 分站1傳輸回來的數據與試驗機實際所加力值

圖6 實測力值與試驗機力值關系

4 結論

(1) 在山西煤炭資源優勢及對礦井信息化安全化的要求下，本實驗平臺立足于實驗室已有儀器設備的情況下，開發了以ZigBee技術為核心的平臺分站和主站，從最前端的傳感設備到最終的上位機，給學生進一步研究數字化礦山提供了便捷平臺，同時也能幫助學生學習信息、力學、礦業等交叉學科方面的知識。

(2) 實驗平臺硬件方面傳感器與傳感器信號處理電路分開的設計及預留擴展的輸入輸出口使平臺還可以連接其他種類的傳感器設備進行數據的采集傳輸實驗，如位移傳感器。通信協議3個步驟的靈活性使平臺可以適應不同數量分站之間的互相通信，同時ZigBee協議的通用性使得通過少許的改動，還可以與其他無線平臺進行互連，組成更大的綜合實驗平臺。

(3) 模擬實驗平臺運行穩定，基本符合真實礦井頂板應力采集數據的過程，可擴展性和兼容性也為物聯網技術在煤礦中的應用提供了便捷平臺[13]。

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