基于煤礦頂板離層實時動態無線監測系統設計

常云澤

(晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 技術中心， 山西 晉城 048006)

0 引言

頂板離層是指巷道周邊圍巖與遠離周邊的圍巖之間出現臺階式躍變，進而引發頂板冒落的災難性事故，其不但影響煤礦的正常生產，而且會造成人員傷亡。長期以來，煤礦安全問題一直是制約煤炭工業發展的重要因素,當前我國采掘工作面回采巷道的頂板主要有棚式和錨桿兩種支護形式：棚式支護是依靠支架自身的強度和剛度為頂板巖層提供支護抗力，起到支護作用；錨桿支護是利用錨桿將巷道周邊巖體加固，使錨桿與所錨固范圍內的巖體共同組成一個支護體系來支護巷道頂板。錨桿支護對巷道圍巖的強化作用可顯著提高圍巖的穩定性，加之支護成本低，可明顯改善作業環境和安全生產條件，提高礦井的技術經濟效益，因而成為世界各國礦井巷道的一種主要支護形式。因此,實時監測錨桿支護巷道，可提前預測頂板離層走向并及時采取相應措施，從而防止頂板冒落，避免突發性事故的發生變得尤為重要。但目前常用的頂板離層儀是靠人工定時觀察測量頂板離層狀況， 誤差較大，而且不能實時監測，煤礦安全生產得不到保障。鑒于此，本文設計了一種基于射頻通信技術的低功耗煤礦頂板離層實時動態無線監測系統。

1 頂板離層實時動態無線監測系統結構

頂板離層無線監測系統結構如圖1所示，該系統是專門針對礦井下錨噴支護巷道內頂板離層位移量的自動化監測、預警系統，它主要由傳感器節點、監測分站、手持采集器和地面監測臺4部分組成。該系統采用可靠的無線射頻通信技術,可實現巷道頂板位移數據的監測、傳輸、分析、顯示以及預警。監控分站提供以太網接口連接到井下原有環網,將監測數據安全快速地傳輸到地面監控臺。地面監控臺采用列表、曲線等多種方式,將各監測點數據進行顯示，實現安全生產的遠程監控。

圖1 頂板離層實時動態無線監控系統

2 系統硬件設計

2.1 傳感器節點

傳感器節點主要由微處理器(MCU)、無線通信模塊、1×5薄膜按鍵、LCD模塊、電池模塊和位移傳感器組成。該設計所采用的微處理器是一款低功耗處理器，通過軟件配置可實施不同休眠等級，不同休眠等級的功耗也不同，配合無線通信模塊設計,可實現傳感器節點的自動休眠和載波監聽喚醒，既延長了設備使用壽命，又降低了井下維護難度和費用，減少了井下工作量。

無線模塊的原理及其與MCU的連接如圖2所示。

圖2 MCU原理

當MCU在一定時間里沒有接收到來自無線模塊的數據時,會自動進入休眠模式，這時它的位移采集模塊正常工作，其他內部模塊都停止工作以降低整機功耗。MCU的喚醒方式主要有兩種：當位移采集模塊采集的數據達到報警門限時,它會主動醒來以發送報警；而當無線模塊接收到外界的查詢信號時,它會被無線模塊喚醒，接收處理查詢信息。

無線通信模塊作為本設計的重要單元，同樣采用了低功耗的設計,如圖3所示。經過配置，模塊在除主動發送外的其他時間均處于接收狀態，并開啟WOR(無線載波喚醒)功能，即該模塊在沒有數據可發送或接收的情況下,進入了休眠模式;當檢測到信道上有截波振動時，才喚醒進行數據接收，這種應用進一步降低了整機功耗。另外，無線模塊的其他一些配置采用了如2-FSK制式、433 MHz的載波頻率、2.4 kbit/s的數據傳輸速率等,可降低整機功耗,穩定通信質量，使通信距離達到300 m以上，而丟包率

圖3 無線通信模塊原理

遠遠小于5%。

傳感器節點的功能包括：

1) 2路位移模擬量輸入，2路數字I/O輸入(光電隔離)。

2) 通過鍵盤配置輸入，對節點進行配置，液晶顯示配置信息。

3) 定時向井下分站無線發送數據。

4) 低功耗器件，定時采集數據。

5) LED指示位移量報警。

6) 載波喚醒向無線數據采集器發送頂板位移量和地址。

7) 實時時鐘記錄信號采集日期、時間。

8) 供電控制模塊，最大程度節省電池組電能。

9) 體積小、本質安全電路、安裝維護方便。

位移傳感器達到的性能指標：最大量程為500 mm，安裝方式為2點式，采集分辨率為1 mm，布點距離50 m，電池工作時間大于6個月。

2.2 監測分站

監測分站以ARM內核處理器LPC1758為中央處理單元，由電源轉換單元、數據存儲單元、通信網絡接口單元、鍵盤輸入單元、液晶LED顯示及聲音報警單元、無線通信單元及時鐘電路組成。其無線通信模塊設計同傳感器節點,監測分站設計原理如圖4所示。

圖4 監測分站原理

數據存儲單元由靜態RAM構成，可保存該井下監測分站所負責的40個監測節點、24 h、3個班次(或4個班次)所采集的頂板位移數據。鍵盤輸入單元可設定分站地址、修改實時時鐘、查詢傳感器節點數據等。液晶LED顯示及報警單元，可顯示時間、最新存儲的一個傳感器節點的數據，報警節點地址、報警位移量，并可通過翻頁鍵逐條查詢單個節點數據。LED指示燈包括電源指示燈、系統運行指示燈、以太通信指示燈、報警指示燈。無線數傳單元負責完成與最鄰近頂板位移傳感器節點的數據通信，當5 m范圍內有無線數據采集器，并接收到該無線數據采集器的數據上傳指令時，可把當前存儲的分站數據傳送給無線數據采集器。以太接口傳輸單元完成與地面監控中心的數據通信，使頂板監測數據可通過礦山工業以太網傳輸到地面監控中心。電源轉換模塊負責將輸入的礦用直流電源變換為單片機系統所需+5 V或3.3 V電壓。

2.3 便攜式數據采集器

便攜式數據采集器以低功耗單片機LPC1758為中央處理單元，由磷酸鐵鋰電池、電源管理單元、數據保存單元、RS-232傳輸單元，鍵盤輸入、液晶顯示及報警單元、無線通信單元和紐扣電池及時鐘電路組成,其無線通信模塊設計同傳感器節點，其設計原理如圖5所示。

圖5 采集器設計原理

便攜式數據采集器以可充電電池方式供電，通過電池充電接口以及內部電源管理單元對電池充電。當系統工作時數據采集器內部鋰電池可為扭扣電池充電，以保證采集器關機后系統時鐘能正常運行。

便攜式數據采集器主要功能包括：

1) 當系統地面監控中心主機和分站之間不能通過以太網聯網，以至于傳感器采集到的數據無法自動發送到地面主機時，可以利用采集器獲得傳感器或者分站的頂板離層數據。

2) 利用采集器按鍵可實現本機的開機、關機、ID號設置、時間設置、已獲得數據的查詢等功能。

3) 液晶顯示器可實時顯示已采集到的傳感器上頂板深基點和淺基點離層位移量，并配合按鍵顯示相應菜單和設置項。

4) 當采集器成功獲得一個傳感器上的數據時，采集器會鳴叫1聲進行聲音提示；當采集器無法獲得一個傳感器上的數據時，采集器會鳴叫2聲進行聲音提示。

5) 數據采集完成后，將采集器帶到地面，利用采集器下端RS-232接口，將數據導入監控中心的主機監測軟件中。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括節點軟件設計、分站軟件設計、便攜式采集器軟件設計、上位機軟件設計。

系統工作流程見圖6。傳感器節點負責實時監測所在點的頂板位移量并定時保存至本地存儲器，或響應井下分站及便攜式數據采集器的遠程數據查詢。當位移超限時，節點可以在30 s內做出響應并立即上報給井下分站，同時節點的紅色LED閃亮做出警示。監測分站每隔一段設定的時間向傳感器節點發起數據查詢，將節點保存的頂板離層數據，通過射頻通信模塊以無線方式傳輸到本地FLASH，以供工人或上位機查詢。同時，監測分站還可以遠程對其管理下的傳感器節點的配置信息進行修改、重置等維護。便攜式采集器是一個機動設備，它可以隨工人到任何地方以無線方式采集附近的節點或分站上保存的位移數據，帶到地面監控室后再以RS-232的或USB的通信方式將采集到的數據上傳到監控上位機上的監控軟件數據庫中。監控中心上位機軟件是一個以微軟SQLServer2005數據庫為中心的軟件系統，該軟件系統是基于Windows .NET平臺開發的，該數據庫管理軟件主要用于中小型企業數據庫解決方案，具有穩定性高、成本低、使用方便等優點。監控中心對分站上傳的各頂板監測點數據進行統計、分析、報警、保存，并且能配置分站和監測節點的相應參數,如圖7所示。

圖6 系統軟件工作流程

在系統軟件設計中最重要的內容是低功耗的軟件實現和節點之間的路由協議。低功耗的軟件實現在系統硬件設計部分已附帶說明，而路由協議的設計也是本設計軟件中的難點。由于節點是以鏈式排列的，距離分站遠的節點數據要到達分站需要上一級的節點做路由，并且數據在節點鏈上是有方向的，即節點發給分站的數據是向分站方向傳輸的，無線信號是全方向的，它可以被當前節點的上一個節點接收到，也可以被下一個節點接收到，故需要有一套穩定的路由協議確保數據的傳輸方向正確，根據無線信號的特點，同一信號可能被當前節點的以下(或以上)多個節點接收到，因此設計了一套合理、穩定、有效的路由協議,即所有在同一鏈路上的節點按照前后順序編好序號，在協議中規定了報文的發送號、轉發號、目的號，一條報文只能在相鄰的3個節點中傳輸，這樣可避免多個節點同時轉發同一條報文的沖突問題，并且報文可按照節點鏈路安全到達目的節點。實際應用表明，該路由協議能穩定可靠地將報文送到目的地。

圖7 監控中心上位機軟件

4 結論

煤礦頂板離層動態無線監測系統主要采用433 MHz無線射頻技術,替代傳統頂板監測系統中的有線通信方式，實現了礦山井下巷道頂板離層位移量的數據采集、數據監測、無線傳輸、無線聯網、預警和數據分析等功能。該系統具有構成簡單、擴展方便、可靠性高、組網靈活等特點，同時低功耗的應用使節點壽命大大加長，降低了維護成本和工作量。目前該系統已被應用，運行穩定，監測效果良好，參數指標如表1。

表1 系統應用指標

該系統的開發還處在初級階段,可進一步擴展升級,如井下采用統一的Zigbee網絡，提高數據傳輸速度，增加傳輸可靠性。可通過進一步優化頂板離層監控系統，進一步為煤礦的安全生產提供更可靠的保障。