基于无线传感器网络的煤矿顶板压力监测系统

  近年来我国煤矿安全事故时有发生，安全形势十分严峻。在采矿生产的全部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很复杂，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，一定要做好信号的屏蔽以及远距离传输信号的衰减等问题。无线 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。

  无线]WSN(Wireless Sensor Net)是指在一定区域内部署少数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依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，一般都会采用多跳(multi-hop)方式。传感器网络可以在独立的环境下运行，也能够最终靠网关连接到网络上，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。

  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。

  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。

  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制式的无线内置的CPU通过一组命令控制无线个命令字，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多个方面数据显示功能，图3中未画出。

  2.4 天线 GHz频段上使用直接序列扩展频谱(DSSS)来扩展输出功率，从而使通信链路有着非常强的抗干扰性，即使在嘈杂的环境中也能运行。CC2430可使用不相同类型的天线。常用的是偶极子的差分天线/f。其中f的单位是MHz，长度单位是cm。2.45 GHz的天线 cm。如果用于短距离通信也能应用单极子、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。

  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T 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。

  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，因此为了确认和保证传输数据的正确性，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来进行处理，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做处理。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。

  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，对数据来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管理系统，并设计了无线传感器网络节点顶板压力测试、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。同时本系统还能添加相应的传感器监测井下作业区的温湿度、氧含量、有毒有害化学气体含量、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较为可靠的分析和保障，具有重大的经济及社会意义。

  1 目标 熟悉使用CC2430的ADC功能。根据我自己开发板的情况，我使用P07作为AD转换的输入口，使用一个旋转电位器来调整输入端口的电压，通过串口发送AD转换结果。在这里还是说说ADC的结构。 CC2430的ADC是基于sigma-delta原理，而不是常用的逐次比较式，通过不同的抽取率来实现不同的转换精度。 2 代码总览 还是老规矩，先列出所有的代码。在这里除了使用到ADC模块，还使用了定时器和串口模块，串口模块用来输出转换结果，定时器模块用来间隔调用ADC转换函数。具体的代码如下所示： //包含头文件 #include hal.h #include stdio.h //

  片内AD使用详解——查询法 /

  1 总体设计方案     在钢铁企业的工厂里，除了原料场、焦炉、高炉等，还包含有各种监测控制设备，如对温度、湿度及对煤气等物理量进行采集的设备，环境检验测试显得很重要。一般情况下采集设备以有线网络系统的形式采集与传输数据。但是在布满各种设备的钢铁厂车间里采用有线电缆实现温湿度等工业数据监测采集，有布线十分艰难，不便于维护，设备不能随意移动等缺点。而ZigBee网络是一种先进的无线传输技术，它有着功耗低，数据传输可靠，网络容量大，安全性高，实现成本较低等优点，此方案可以使钢铁工厂测量装置易于安装，便于维护，传输可靠。图1为此方案的系统结构图。     ZigBee是基于IEEE 802．15．4无线标准之上的有关组网、安全与应用技术，

  0 引 言 无线传感器网络就是一种RGS系统(远程地面传感器系统)，它是一种利用多种传感器作为综合情报采集元件，进行数据融合、编码等处理后，发送给指挥中心，处理还原后在监控平台显示出来的探测系统。它集传感器技术、图像探测技术、震动探测技术、声音探测技术、无线通信技术、数字编码压缩技术、信息融合技术及计算机技术为一体，是由多种高新技术集成的综合性技术。无线多传感器网络系统主要由以下几部分所组成： (1)系统前端传感器及GPS模块——信号采集部分：主要是由图像、声音、震动以及红外传感器组成的探测单元和GPS模块构成，负责完成战场信息监测任务。 (2)信息传输部分：主要负责将采集到的信息压缩编码和进行远距离无线)

  中传输电路的设计 /

  引言 传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展，自组织无线传感器网络（Self Organizing Wireless Sensor Network）作为新兴技术，是目前国外研究的热点，其在军事、环境、健康、家庭、商业、空间探索和灾难拯救等领域展现出广阔的应用前景，早在2003年美国自然科学基金委员会已经斥巨资来支持这方面的研究，并且出现了一些致力于无线传感器网络的公司。其中，Crossbow公司已推出了Mica系列传感器网络产品，国内很多大学现已经开展相关领域的研究，但大部分工作仍处在自组织无线网络协议性能仿真和硬件节点小规模实验设计阶段，本文就国防科技大学传感器教研室开展可应用于环境监视测定方面无线传

  在一些特殊的工业场合，有时需要将传感器的信号不断的实时采集和存储起来，并且到一段时间再把数据回放到PC机中做多元化的分析和处理。在工作环境恶劣的情况下采用高性能的单片机和工业级大容量的FLASH存储器的方案恐怕就是最适当的选择了。CYGNAL公司的C8051F320 SOC是一种具有8051内核的高性能单片机，工作速度为普通8051的12倍。该芯片内部528字节随机RAM和2048字节XRAM为数据缓冲和程序运行提供了充足的空间。更受欢迎的是它的串行扩展功能为当前的各种串行芯片和外部设备接口的扩展提供了极大的方便。高速的SPI硬件接口与串行FLASH RAM的无缝连接大大简化了电路板布线，而片内自带的USB接口功能使数据的存储和回放变得十

  C8051F320包含一个内部振荡器，也能够使用其他方式提供振荡。手头没有一点元器件，所以只考虑使用内部振荡器。 一、时钟设定 系统复位时，默认使用内部振荡器作为系统时钟，出厂前已经将基频定为12MHZ，能够准确的通过需要对其进行分频操作。 分频方法： 寄存器OSCICN 最低两位 D1D0的值决定了分频数，00~11分别为8分频、4分频、2分频、不分频。 此外,D7=1表示内部振荡器使能，反之禁止内部振荡器 D6=1内部振荡器频率准备好标志 D5=1强行挂起内部振荡器 寄存器OSCICL 内部振荡器校准，D4

  利用音频信号实现节点间距自主测量的无线传感器网络节点系统。本系统包括dsPIC6014A微控制器、512 KB的SRAM，2.4 G波段的RF收发模块、音频收发模块及电源管理模块等。经过测量RF同步信号与音频信号的时间差来测量节点间的间隔距离，节点利用多次测量数据累加平均及IIR数字滤波技术提高了测距信号的信噪比，用幅度检测实现了测距信号的到达时刻判别。测试数据表明，该节点最远测距距离可达30 m，误差小于3.5％。 节点间隔距离测量所利用的参量主要有： 接收信号强度(RSS)、信号时间差(TPOA)、角度量(AOA)／信号到达方向(DOA)。其中，对RSS和射频加超声波测距的研究较多。射频信号的传播衰减和众多参数相关

  节点间距测量 /

  1 引言 随微电子技术、计算机网络技术和通信技术的发展，无线传感器网络日渐成为互联网领域研究的热点之一，无线传感器网络具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，适用于军事、智能家居、环境监视测定和预报、医疗护理、建筑物状态监控、工业控制领域，无线传感器网络节点设备是构成无线传感器网络的基础，基本组成和功能包括如下几个单元 ：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成、包括CPU、存储器等）、通信单元（由无线通信模块组成）和电源单元，如图1所示，此外，可选择的其他功能单元包括定位系统、移动系统及电源自供电系统等，通常，此类设备具备了微型、低功耗、低成本、可扩展性、高安全性等特点。

  原理及应用

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