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　　近年來我國煤礦安全事故時有發生，安全形勢十分嚴峻。在采礦生產過程中最常發生的就是冒頂事故。冒頂是由于煤礦巖石的穩定性差，當強大的地壓傳遞在頂板或兩側時，使巖石遭受破壞而引發。為了預防冒頂事故的發生，應該掌握礦井頂板壓力規律。通過實時監測頂板壓力的變化，可以研究礦井頂板壓力的規律，從而采取預防措施，有效地防止事故的發生[1-2]。

    由于煤礦綜采工作面的環境比較復雜，巷道內有瓦斯、甲烷、煤塵等可燃性氣體，因此設備必須要防爆、防塵。同時采煤機等一般都是大功率的設備，在運行和啟停過程中會產生較強的電磁干擾，因此，采用有線方式傳輸信號時，必須做好信號的屏蔽以及遠距離傳輸信號的衰減等問題。無線傳感器網絡采用2.4 GHz無線通信方式傳輸數據，無需復雜的布線，且系統具有極強的抗干擾性。因此，本系統采用無線傳感網絡的節點作為頂板壓力數據采集的終端，采用無線方式將數據傳送到匯聚節點，匯聚節點采用有線通信方式將采集到的數據通過傳輸接口傳輸至地面的管理監控站，實現頂板壓力的實時監控。系統框圖如圖1所示。

　　1 無線傳感器網絡簡介

    無線傳感器網絡[2-3]WSN(Wireless Sensor Net)是指在一定區域內部署一定數量的具有無線通信與計算能力的微小傳感器節點，這些節點通過自組織方式構成能根據環境自主完成制定任務的分布式智能化網絡系統。傳感器網絡的節點間采用無線通信，通信距離很短，一般采用多跳(multi-hop)方式。傳感器網絡可以在獨立的環境下運行，也可以通過網關連接到互聯網上，使用戶遠程訪問。WSN是一個動態的網絡，節點可以隨處移動，網絡具有無中心、自組織以及動態拓撲組織功能等特點。

　　2 無線傳感器網絡節點

    傳感器節點(終端節點)是無線傳感器網絡的基本單元，具有數據采集、處理以及傳送等功能，本系統中節點設計采用TI公司的CC2430作為核心器件。

　　2.1 頂板壓力檢測傳感器

    本系統采用GD-307型礦用頂板壓力傳感器,該傳感器是監控礦井工作面的頂板壓力變化的專用儀表，能自動將工作面的頂板下沉轉變為標準電信號輸送給關聯設備。GD-307輸入電壓為直流9 V~18 V，測量范圍為0~10 MPa，基本誤差為2%，輸出信號為1 mA～5 mA，傳輸距離1 500 m。

　　2.2 CC2430簡介

    CC2430[4]是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用而設計的片上系統(SoC)，可以構成低成本的ZigBee節點。CC2430集成了領先的CC2420射頻(RF)收發器和增強的8051微處理器，32/64/128 KB的閃存以及業界領先的ZigBee協議棧。CC2430具有8路輸入8~14 bit模數轉換口，1個802.15.4媒體存取控制（MAC）定時器，一個通用16 bit和2個8 bit定時器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。

　　2.3 節點硬件設計[5]

    本系統采用GD-307型礦用頂板壓力傳感器，該傳感器輸出為1 mA～5 mA信號，CC2430電源電壓為3.6 V，ADC轉換參考電壓也設為3.6 V，因此須將電流信號轉換為0~3.6 V的電壓信號，轉換電路如圖2所示。AD_IN為電流輸入信號，理想運放的虛短和虛斷，輸出電壓為。當輸入電流信號為1 mA時，輸出電壓為0.36 V，當輸入電流信號為10 mA時，輸出電壓為3.6 V。P0_0為轉換電壓輸出端，接CC2430模數轉換通道0(即P0_0端)。CC2430中輸入輸出端口P0_0~P0_7可設置為模數轉換通道。

    CC2430應用如圖3所示。ADC有三種控制寄存器：ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3。ADCCON1寄存器控制ADC轉換器的狀態、轉換起始以及觸發脈沖等信息。ADCCON2寄存器控制選取參考電壓、采樣頻率以及A/D轉換通道等信息。ADCCON3寄存器控制額外轉換的通道號碼，參考電壓、采樣頻率等信息，其編碼和ADCCON2是完全一樣。ADCCON2寄存器控制字如表1。

    本系統ADC通道為AIN0(P0_0),參考電壓輸入AVDD_SOC引腳接3.6 V,作為ADC轉換的參考電壓。ADC運行在32 MHz的系統時鐘上，32 MHz 8分頻,得到4 MHz的時鐘，調制器和采樣過濾器的時基為4 MHz。ADC轉換所需的時間取決于所選的采樣頻率。轉換時間可由下式給定：Tconv=(采樣頻率+16）×0.25 μs。故ADCCON2控制字為：01000000。轉換后的數據實時通過無線網絡發送至匯聚節點，也可以存儲在本地存儲器中AT24LC08中,等到網絡空閑時發送。

    CC2430內嵌基于IEEE802.15.4制式的無線收發系統。CC2430內置的CPU通過一組命令控制無線電的運行。CC2430共有9個命令字，編程一段簡單的程序，CPU將程序傳輸至無線電控制寄存器CSMA-CA/命令選通處理器（CSP），從而控制無線電的運行。本系統終端設計有聲光報警及數據顯示功能，圖3中未畫出。

　　2.4 天線

    CC2430在2.4 GHz頻段上使用直接序列擴展頻譜(DSSS)來擴展輸出功率，從而使通信鏈路具有很強的抗干擾性，即使在嘈雜的環境中也能運行。CC2430可使用不同類型的天線。常用的是偶極子的差分天線，λ/2偶極子天線長度計算公式為：L=12 250/f。其中f的單位是MHz，長度單位是cm。2.45 GHz的天線必須是5.8 cm，每邊為2.9 cm。如果用于短距離通信也可以應用單極子、螺旋或環狀天線。在硬件設計中，須使用雙面印刷電路板，板面必須很好地鋪地。布置元件時應盡可能靠近，外接元件越小越好。元件接地時，需單獨接地，切勿星狀接地，形成環流，影響系統的運行。

　　3 匯聚節點

    匯聚節點[6]（如圖1所示）采用無線接收、有線發送的方式。匯聚節點的主控制芯片為CC2430。CC2430無線接收各終端節點發送過來的礦井頂板地址數據和頂板壓力數據，將其按相應的地址號存儲在相應的地址單元。由于匯聚節點接收的數據量較大,本系統采用AT24C256作為數據存儲器，控制圖與圖3相似，不再重復給出。匯聚節點將接收到的地址數據和頂板壓力數據整理打包，通過USB口將數據發送至傳輸接口。CH341T是一個USB總線的轉接芯片，通過USB總線提供串口、打印口或者并口。在串口方式下，CH341T 提供串口發送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號以及常用的MODEM 聯絡信號，用于將普通的串口設備直接升級到USB 總線。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，用于在不需要單片機/DSP/MCU 的環境下,直接輸入輸出數據。CH341T與CC2430接口圖如圖4所示。圖4中P0_3設置為TXD，P0_2設置為RXD，因此，CC2430控制寄存器需作相應的設置。具體設置為：外設控制寄存器PERCFG=XXXXXXX0；輸入配置寄存器ADCCFG=XXXX00X1；端口功能選擇器P0SEL=XXXX111。　　

　　4 傳輸接口

    傳輸接口[6-7]安裝在地面監測站和無線傳感網絡匯聚節點之間，將匯聚節點傳輸來的煤礦頂板的地址數據和頂板壓力數據通過USB口傳輸至上位管理主機中。由于傳輸接口與地面監測站之間距離較遠，因此為了確保傳輸數據的正確性，需要對USB通信加中繼，提高其傳輸能力。同時，傳輸接口對接收到數據進行處理，當接收到某一地址的頂板壓力數據接近或超過預先設置的數據時，發出聲光報警。因此，從匯聚節點傳輸的USB信號需進行增強和分路,如圖5所示。AU9254可實現USB 1路到4路的分路,同時可以從RJ-45口實現遠距離傳輸。

    傳輸接口采用C8051F320為主控芯片對接收到的數據進行處理。C8051F320系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發，CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，片內調試電路提供全速、非侵入式的在系統調試。C8051F320的USB接口符合USB2.0版規范，可以實現全速(12 Mb/s)或低速(1.5 Mb/s)的串行通信。C8051F320與USB接口圖如圖6所示。

　　5 地面中心站

    地面中心站接收由傳輸接口通過USB傳輸來的煤礦頂板的地址數據和頂板壓力數據，對數據進行相應規劃和處理，在監控中心顯示屏中實時顯示煤礦頂板地址以及相應地址的頂板壓力數據。在地面中心站中編制相應的管理軟件，將接收的數據和系統數據存儲在數據庫中，通過鼠標點擊某一地址，就可以查閱該地址處頂板壓力的歷史數據曲線和安全數據，及時發出事故報警橙色信息，為預防頂板冒頂事故的發生提供科學的依據。

    本文設計了一種基于無線傳感器網絡的礦井頂板壓力監測控制系統，并設計了無線傳感器網絡節點頂板壓力檢測、無線傳輸電路。通過無線傳感器網絡可實現對礦井下各頂板壓力的實時監測，為預防頂板冒頂事故的發生提供科學的依據。同時本系統還可以添加相應的傳感器監測井下作業區的溫濕度、氧含量、有毒有害氣體含量、粉塵含量等多種環境參數的監測，這將為煤礦及其相關行業的安全生產提供可靠的分析和保障，具有重大的經濟及社會意義。