基于无线传感器网络的煤矿顶板压力监测系统

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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。

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