基于無線傳感網絡的支架壓力傳感器設計

張高峰

(西山煤電 西銘礦供應部，山西 太原 030052)

0 引言

近年來隨著液壓支架電液控制技術的迅速發展，煤礦綜采工作面的液壓支架支護技術也得到了快速發展，采煤工作的安全性和效率都有了顯著提高。液壓支架壓力監測技術是通過傳感器采集工作面支架壓力信息，然后傳輸到監控主機，對工作面支護情況進行實時監測的一種技術手段。未來煤礦會朝著信息化、智能化、無人化方向發展，目前液壓支架實現壓力監測的方式普遍采用電纜通信，這種通信方式簡單可靠，但是存在布線復雜、電纜破損后導致通信失敗的缺點。基于上述原因，需要開發一種基于無線通信技術的液壓支架壓力傳感器，以提高液壓支架的智能化水平。ZigBee無線網絡通信技術是一種新興的通信技術，這種技術具有低功耗、易組網等特點，十分適用于井下巷道環境中，因此本文基于此項技術進行了壓力傳感器的設計。

1 巷道通信特點

如果要在礦井中實現短距離無線通信，需要考慮的因素比較多，除了無線通信技術本身的覆蓋范圍、傳輸速率、功耗等特質外，還應當考慮礦井自身的物理條件來決定通信頻段，包括巷道結構、井下縱向導體等，應當尋找一種傳輸效果好、適應性強的通信技術解決方案。巷道截面形狀、截面等效半徑和傾斜程度對無線信號的影響是顯著的，在電磁波波長一定的情況下，巷道截面的等效半徑越大，信號的衰減就越小。假設一段巷道截面的等效半徑是固定的，那么在此條件下就存在一個截止頻率，低于這個截止頻率的無線信號衰減程度很大，無法進行信號傳輸。一般的井下巷道截面面積在幾十平方米以內，對中頻段的電磁波影響較小。巷道內存在的縱向導體包括鋼絲繩和電纜，特別是位于巷道中央的導體會產生導波作用，從而使得信號增強，導波作用的頻段在中低頻段，高頻信號的導波作用很弱。綜上所述，適用于煤礦井下的無線通信頻段為中頻段。

常用的無線通信技術有WIFI、IrDA、Bluetooth和ZigBee等。WIFI是一種常用于便攜設備互聯網接入的無線擴展技術，通常一個路由節點所接入的設備數量不會太多，且需要穩定電源，因此不適用于井下應用場合。IrDA是一種用于點對點遙控領域的無線設備，常用于簡單的開關控制，由于這種技術不能組網，因此也不適用于液壓支架壓力檢測系統。Bluetooth也存在不能組網的問題。ZigBee是一種新興的無線通信技術，具有組網靈活、系統定位、功耗低和可靠性高的特點，工作頻率為免執照頻段，可以在2.4 GHz、868 MHz及915 MHz中自由選擇。因此我們選擇ZigBee作為液壓支架壓力傳感器的無線通信方案。

2 ZigBee組網方式

ZigBee的中文正式名稱為無線傳感網絡，這種通信技術具有功耗低、成本低的優點，是新興的熱門研究領域。隨著ZigBee聯盟的發展壯大，國內外廠商紛紛推出自己的ZigBee芯片，目前其廣泛應用于環境監測和自動控制等領域。關于ZigBee網絡，國際標準對其工作頻率、網絡節點的設備類型、組網形式做出了明確的規定。按照IEEE 802.15.4標準規定，ZigBee網絡工作頻段為3個：即868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。由于井下巷道的結構限制，本文的工作頻率設計在868 MHz頻段。其設備類型包括路由器、協調器和終端設備三種，由全功能設備和精簡功能設備組成，路由器和協調器由全功能設備組成，終端設備由精簡功能設備組成。ZigBee網絡的組網形式從簡單到復雜分別為星型網絡結構、樹型網絡結構和網狀網絡結構。星型網絡結構只有協調器和終端設備，這種結構類似于廣播，終端節點與其他節點進行通信時需經過協調器，當網絡受到干擾后協調器會出現混亂，因此不適用于大范圍通信。樹型網絡是在星型網絡的基礎上增加了轉發節點形成的網絡結構，這種網絡結構對根的依賴很大，可靠性不高。網狀結構網絡是樹型結構網絡擴展形成的，這種網絡結構具有自愈性，適用于液壓支架巷道環境，因此本文選擇這種結構進行組網。

3 硬件電路設計

由于路由設備是終端設備的精簡版，因此本文只介紹終端設備的設計原理，路由設備在此基礎上省略了傳感器電路、信號調理電路等。一個液壓支架壓力采集終端原理框圖如圖1所示，主要包括傳感器、信號調理模塊、無線收發模塊和電源模塊。壓力傳感器從前支柱、后支柱和前探梁采集到的壓力數據，經過處理變為反映壓力大小的電壓量。經信號調理電路進行濾波、AD變換之后，發送給無線收發模塊中的8051單片機，經單片機處理和存儲后，通過射頻模塊發送到下一個網絡節點。

圖1 液壓支架壓力采集終端原理框圖

3.1 壓力傳感器

礦井頂板對液壓支架的壓力會使壓力傳感器的電阻應變片產生形變，從而改變其電阻的大小，因此可以通過設計電橋，將電阻阻值的變化反映在電壓變化上，電阻應變式壓力傳感器就是根據此原理設計的。如圖2所示，傳感器內部的差動全橋電路由恒流源供電，這樣可以消除溫度變化的影響。電橋一共使用4只電阻，其中2只電阻阻值隨壓力增大而增大，另外2只電阻阻值隨壓力增大而減小，將變化方向不同的電阻分別布置在橋臂對側，這樣可以提高壓力傳感器的靈敏度。壓力傳感器的測量精度為1%，最大量程可達60 MPa，輸入電壓為12 V，輸出電流為0.1 mA。

3.2 無線通信電路

目前國內外市場上均有支持ZigBee通信的芯片，包括飛思卡爾公司的MC13193、寧波中科的JN5121、德州儀器公司的CC2430/CC2530等(CC2530是德州儀器在CC2430基礎上的增強版本，在存儲空間、輸出功率、軟件平臺功能和靈敏度等方面具有較高的特性)。由于MC13193片上未集成微處理器，JN5121片上集成的32位微處理器成本較高，因此本設計選擇德州儀器公司生產的CC2530芯片，這款芯片集成了一款8位單片機8051，能夠滿足低速數據傳輸的要求，對于液壓支架壓力監測系統來說已經夠用。

圖2 壓力傳感器內部的差動全橋電路原理圖

參考數據手冊對CC2530芯片及其外圍電路的設計如圖3所示，包括晶振時鐘電路、復位電路、電源濾波電路和ANTENNA非平衡天線電路。晶振時鐘電路有兩組，晶振Y1位于XOSC_Q1和XOSC_Q2之間，振蕩頻率為32 MHz，負載電容取27 pF；晶振Y2位于P2_3和P2_4之間，振蕩頻率為32.768 MHz，負載電容取15 pF。復位電路為RC放電電路，復位上拉電阻R3取10 kΩ，復位電容C18取1 μF，當按下復位按鈕時，放電電容被短路，RC放電電路的放電時間10 μs，滿足CC2530的復位要求，芯片被置位。無線收發電路由ANTENNA天線經一個非平衡電壓器接入芯片的RF_N和RF_P引腳，非平衡電感L2和L3根據射頻輸入/輸出匹配阻抗要求設計。

圖3 無線數據收發模塊CC2530外圍電路

4 結束語

本文基于無線傳感網絡技術設計了一種液壓支架壓力傳感器。通過差動全橋電路設計方式消除了壓力傳感器受溫度變化的影響，采用恒流源供電，提高了壓力傳感器的靈敏度。設計了無線數據收發模塊的電路結構，片上集成的單片機能夠簡化接口電路，節約設計成本。該傳感器對于提高煤礦液壓支架的智能化水平具有一定意義。