基于ZigBee的新型礦山壓力監測系統的研究

張金薇，徐煥超

（中國礦業大學 機電與信息工程學院，北京100083）

煤炭行業是我國重要的基礎能源行業，在我國能源供給結構中占有重要的戰略地位。這幾年，我國煤礦事故時有發生，給人們的生命、財產都帶來了巨大的損失。因此礦井安全受到廣泛的關注，如何對礦山壓力進行實時檢測也是人們關注的焦點。

現有的礦井檢測系統多通過有線傳感器網絡檢測固定地點的礦下巷道頂板壓力。有線通信方式布線復雜、成本昂貴，在礦井建設初期如果規劃不完善，可能遺漏監測點。而新型無線礦山壓力傳感器可隨時增加/減少監測節點并進行組網，使前期規劃更簡捷。由于礦井巷道和工作面是會進行動態延伸變化的，而有線傳感器網絡的結構是相對固定，只有無線傳感器才能靈活地變動組網方式、放置位置，更好地適應礦井巷道的變化方式。在煤礦開采過程中，由于對某區域的探索性開采而形成長度無法預知的探測巷道，探測巷道隨時可能被廢棄或者增加掘進深度，有線傳感器網絡容易增加開采成本并且造成資源的浪費。無線傳感器則可回收重復利用，節約成本，減少布線費用。

目前雖然有些礦井壓力監測設備采用了紅外無線傳輸的方式采集壓力數據，但紅外線傳輸一旦在傳輸線路上受到阻擋就無法正確傳輸數據。本文選用ZigBee無線電波傳輸，保證了傳輸的可靠性。ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本的無線網絡技術，具有延時短、免許可無線通信頻段、多種組網方式、大容量網絡等優勢。將壓力傳感器安裝于各檢測點，實時檢測巷道頂板壓力，并通過無線傳感器網絡通信技術將數據發送至匯聚節點（基站）。匯聚節點與監控管理中心通過公共網絡等進行通信，通過這種方式用戶對收集到的數據進行處理分析，以便做判斷或者決策。

1 功能綜述

我國礦井地質構造復雜，并隨著開采巷道的加深，出現多種頂板問題。隨著時間推移，可能出現頂板下沉、兩幫鼓出、工作面冒頂垮落等問題[1]。本文設計的礦山壓力檢測系統以ZigBee技術做為無線傳輸的基礎。

首先選用GD-307型礦用頂板壓力傳感器安置在各監測節點。該傳感器實時采集頂板壓力與位移量，并按時將采集數據轉換為標準電信號輸出。然后各檢測節點進行無線組網，確定各節點的地理位置，將傳輸進來的數據與閾值進行比較。若發現檢測量超過閾值，馬上啟動蜂鳴器進行警報，再將檢測量與地理位置、時間等數據打包，傳送到上位機。如檢測量未超過閾值，則直接將數據打包傳送到上位機。等待是否上位機有回復命令，若有則執行命令。沒有則繼續以上程序。

2 硬件設計

本系統的硬件設計主要兼顧了系統的安全性、實時性和可靠性幾個方面。選用專業礦下傳感器，隔爆且靈敏度高。

本文所設計的新型無線礦山壓力監測系統由礦山壓力監測節點和上位機組成，眾傳感器可以獨立、可靠地工作。無線礦山壓力傳感器位于各個監測點，實時監測礦井巷道頂板壓力，對比設置的壓力閾值。若超過閾值，則及時發出警報，并將所得到的信息通過ZigBee無線網絡發送給上位機[2-3]，使上位機可以儲存信息，便于對事故的監控和預測。

無線瓦斯監測傳感器硬件結構如圖1所示，由數據采集單元、微控制器單元和通信單元、電源單元4部分組成。

圖1 無線瓦斯監測傳感器硬件結構

本設計選用GD-307型礦用頂板壓力傳感器以及GDY-306型礦用頂板位移傳感器作為傳感器數據采集器。以上兩種傳感器均為礦用本質安全型，并具有體積較小、使用簡便、準確度高、工作穩定、測量范圍大等優勢。完全符合礦用電子設備要求，適用于工控場合等復雜環境的監測[4-5]。

本設計中采用赫利訊公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統CC2430，具有防爆、功耗小、工作電壓低、頻率高、抗干擾能力強的特點。符合因煤礦井下工作環境復雜、信號衰減嚴重、干擾因素繁多而對電氣設備提出的較高的安全要求[6-10]。

本設計的微處理器單元采用STC12C5410單片機，處理速度比傳統的51單片機快8～12倍，且價格低廉、功耗超低，具有寬電壓范圍和超強抗干擾能力[11]。由于礦下條件復雜，對設備要求較高，使用該單片機基本可以符合靈敏度高、低功耗、高效率等原則。

3 軟件設計

以硬件電路為基礎，軟件主要實現傳感器數據采集及無線收發、節點定位、節點自動加入網路、數據顯示等功能。

（1）傳感器數據采集與處理。通過傳感器采集礦井巷道頂板的壓力，轉換成數字量。

（2）節點定位。確定該礦山壓力傳感器所在位置，在礦山壓力超標時能準確地確定事故地點。

（3）節點自動加入網絡。當有新的壓力傳感器節點加入時，可自動搜索并加入網路，當某壓力傳感器節點撤離后自動從網絡中刪除。

（4）發出警報。當監測點壓力值超標時及時發出危險警報，以最快的速度警示井下員工撤離。

（5）無線收發。將檢測到的頂板信息通過ZigBee模塊發送至上位機，同時將上位機命令發送至傳感器。

該監測系統軟件程序流程如圖2所示。

圖2 監測系統軟件程序流程圖

本文針對當前礦山壓力有線監測系統的缺陷，引入無線傳感器組網技術，將基于ZigBee技術的無線傳感器網絡技術應用于礦山壓力監測系統中[3]，開發出了一套適于礦山井下使用的無線壓力傳感器系統。本系統基于ZigBee技術，實時采集礦井巷道各點壓力，并通過ZigBee節點傳到上位機，使井下安全得到保障，極大地減少了人員傷亡和財產損失。

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