基于无线传感器网络在煤矿顶板压力监测系统中应用

     近年来我国煤矿安全事故时有发生，安全形势十分严峻。在采矿生产过程中最常发生的就是冒顶事故。冒顶是由于煤矿岩石的稳定性差，当强大的地压传递在顶板或两侧时，使岩石遭受破坏而引发。为了预防冒顶事故的发生，应该掌握矿井顶板压力规律。通过实时监测顶板压力的变化，可以研究矿井顶板压力的规律，从而采取预防措施，有效地防止事故的发生[1-2]。
      由于煤矿综采工作面的环境比较复杂，巷道内有瓦斯、甲烷、煤尘等可燃性气体，因此设备必须要防爆、防尘。同时采煤机等一般都是大功率的设备，在运行和启停过程中会产生较强的电磁干扰，因此，采用有线方式传输信号时，必须做好信号的屏蔽以及远距离传输信号的衰减等问题。无线传感器网络采用2.4 GHz无线通信方式传输数据，无需复杂的布线，且系统具有极强的抗干扰性。因此，本系统采用无线传感网络的节点作为顶板压力数据采集的终端，采用无线方式将数据传送到汇聚节点，汇聚节点采用有线通信方式将采集到的数据通过传输接口传输至地面的管理监控站，实现顶板压力的实时监控。系统框图如图1所示。
1 无线传感器网络简介
      无线传感器网络[2-3]WSN(Wireless Sensor Net)是指在一定区域内部署一定数量的具有无线通信与计算能力的微小传感器节点，这些节点通过自组织方式构成能根据环境自主完成制定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络的节点间采用无线通信，通信距离很短，一般采用多跳(multi-hop)方式。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网上，使用户远程访问。WSN是一个动态的网络，节点可以随处移动，网络具有无中心、自组织以及动态拓扑组织功能等特点。
2 无线传感器网络节点
      传感器节点(终端节点)是无线传感器网络的基本单元，具有数据采集、处理以及传送等功能，本系统中节点设计采用TI公司的CC2430作为核心器件。
2.1 顶板压力检测传感器
      本系统采用GD-307型矿用顶板压力传感器,该传感器是监控矿井工作面的顶板压力变化的专用仪表，能自动将工作面的顶板下沉转变为标准电信号输送给关联设备。GD-307输入电压为直流9 V~18 V，测量范围为0~10 MPa，基本误差为2%，输出信号为1 mA～5 mA，传输距离1 500 m。
2.2 CC2430简介
      CC2430[4]是专门针对IEEE802.15.4和ZigBee应用而设计的片上系统(SoC)，可以构成低成本的ZigBee节点。CC2430集成了领先的CC2420射频(RF)收发器和增强的8051微处理器，32/64/128 KB的闪存以及业界领先的ZigBee协议栈。CC2430具有8路输入8~14 bit模数转换口，1个802.15.4媒体存取控制（MAC）定时器，一个通用16 bit和2个8 bit定时器，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。
2.3 节点硬件设计[5]
      本系统采用GD-307型矿用顶板压力传感器，该传感器输出为1 mA～5 mA信号，CC2430电源电压为3.6 V，ADC转换参考电压也设为3.6 V，因此须将电流信号转换为0~3.6 V的电压信号，转换电路如图2所示。AD_IN为电流输入信号，理想运放的虚短和虚断，输出电压为。当输入电流信号为1 mA时，输出电压为0.36 V，当输入电流信号为10 mA时，输出电压为3.6 V。P0_0为转换电压输出端，接CC2430模数转换通道0(即P0_0端)。CC2430中输入输出端口P0_0~P0_7可设置为模数转换通道。
      CC2430应用如图3所示。ADC有三种控制寄存器：ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3。ADCCON1寄存器控制ADC转换器的状态、转换起始以及触发脉冲等信息。ADCCON2寄存器控制选取参考电压、采样频率以及A/D转换通道等信息。ADCCON3寄存器控制额外转换的通道号码，参考电压、采样频率等信息，其编码和ADCCON2是完全一样。ADCCON2寄存器控制字如表1。
      本系统ADC通道为AIN0(P0_0),参考电压输入AVDD_SOC引脚接3.6 V,作为ADC转换的参考电压。ADC运行在32 MHz的系统时钟上，32 MHz 8分频,得到4 MHz的时钟，调制器和采样过滤器的时基为4 MHz。ADC转换所需的时间取决于所选的采样频率。转换时间可由下式给定：Tconv=(采样频率+16）×0.25 μs。故ADCCON2控制字为：01000000。转换后的数据实时通过无线网络发送至汇聚节点，也可以存储在本地存储器中AT24LC08中,等到网络空闲时发送。
      CC2430内嵌基于IEEE802.15.4制式的无线收发系统。CC2430内置的CPU通过一组命令控制无线电的运行。CC2430共有9个命令字，编程一段简单的程序，CPU将程序传输至无线电控制寄存器CSMA-CA/命令选通处理器（CSP），从而控制无线电的运行。本系统终端设计有声光报警及数据显示功能，图3中未画出。
2.4 天线
      CC2430在2.4 GHz频段上使用直接序列扩展频谱(DSSS)来扩展输出功率，从而使通信链路具有很强的抗干扰性，即使在嘈杂的环境中也能运行。CC2430可使用不同类型的天线。常用的是偶极子的差分天线，λ/2偶极子天线长度计算公式为：L=12 250/f。其中f的单位是MHz，长度单位是cm。2.45 GHz的天线必须是5.8 cm，每边为2.9 cm。如果用于短距离通信也可以应用单极子、螺旋或环状天线。在硬件设计中，须使用双面印刷电路板，板面必须很好地铺地。布置元件时应尽可能靠近，外接元件越小越好。元件接地时，需单独接地，切勿星状接地，形成环流，影响系统的运行。
3 汇聚节点
      汇聚节点[6]（如图1所示）采用无线接收、有线发送的方式。汇聚节点的主控制芯片为CC2430。CC2430无线接收各终端节点发送过来的矿井顶板地址数据和顶板压力数据，将其按相应的地址号存储在相应的地址单元。由于汇聚节点接收的数据量较大,本系统采用AT24C256作为数据存储器，控制图与图3相似，不再重复给出。汇聚节点将接收到的地址数据和顶板压力数据整理打包，通过USB口将数据发送至传输接口。CH341T是一个USB总线的转接芯片，通过USB总线提供串口、打印口或者并口。在串口方式下，CH341T 提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM 联络信号，用于将普通的串口设备直接升级到USB 总线。在并口方式下，CH341T 提供了EPP 方式或者MEM方式的8 bit并行接口，用于在不需要单片机/DSP/MCU 的环境下,直接输入输出数据。CH341T与CC2430接口图如图4所示。图4中P0_3设置为TXD，P0_2设置为RXD，因此，CC2430控制寄存器需作相应的设置。具体设置为：外设控制寄存器PERCFG=XXXXXXX0；输入配置寄存器ADCCFG=XXXX00X1；端口功能选择器P0SEL=XXXX111。　　
4 传输接口
      传输接口[6-7]安装在地面监测站和无线传感网络汇聚节点之间，将汇聚节点传输来的煤矿顶板的地址数据和顶板压力数据通过USB口传输至上位管理主机中。由于传输接口与地面监测站之间距离较远，因此为了确保传输数据的正确性，需要对USB通信加中继，提高其传输能力。同时，传输接口对接收到数据进行处理，当接收到某一地址的顶板压力数据接近或超过预先设置的数据时，发出声光报警。因此，从汇聚节点传输的USB信号需进行增强和分路,如图5所示。AU9254可实现USB 1路到4路的分路,同时可以从RJ-45口实现远距离传输。
      传输接口采用C8051F320为主控芯片对接收到的数据进行处理。C8051F320系列器件使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发，CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试。C8051F320的USB接口符合USB2.0版规范，可以实现全速(12 Mb/s)或低速(1.5 Mb/s)的串行通信。C8051F320与USB接口图如图6所示。
5 地面中心站
      地面中心站接收由传输接口通过USB传输来的煤矿顶板的地址数据和顶板压力数据，对数据进行相应规划和处理，在监控中心显示屏中实时显示煤矿顶板地址以及相应地址的顶板压力数据。在地面中心站中编制相应的管理软件，将接收的数据和系统数据存储在数据库中，通过鼠标点击某一地址，就可以查阅该地址处顶板压力的历史数据曲线和安全数据，及时发出事故报警橙色信息，为预防顶板冒顶事故的发生提供科学的依据。
      本文设计了一种基于无线传感器网络的矿井顶板压力监测控制系统，并设计了无线传感器网络节点顶板压力检测、无线传输电路。通过无线传感器网络可实现对矿井下各顶板压力的实时监测，为预防顶板冒顶事故的发生提供科学的依据。同时本系统还可以添加相应的传感器监测井下作业区的温湿度、氧含量、有毒有害气体含量、粉尘含量等多种环境参数的监测，这将为煤矿及其相关行业的安全生产提供可靠的分析和保障，具有重大的经济及社会意义。