基于LabVIEW的煤矿巷道顶板监测系统设计

刘 杰 刘志刚 刘明清 岳晓光 常 娟

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070;2.河南省矿山信息化重点学科开放实验室，河南焦作454000;3.国家环境保护部华南环境科学研究所，广东广州510655)

在各类煤矿事故中，顶板事故发生起数最多，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，据相关资料显示，近10年来，国内煤矿发生致人死亡的顶板事故3 372起，占煤矿事故总数的43%［1］。因此，实时监测顶板离层的位移及压力，判断顶板离层及围岩的稳固性，及时采取有效的防护措施，对预防顶板事故的发生具有重大的现实意义。

1 监测系统设计方案

煤矿巷道顶板监测系统由顶板监测传感器，NIWSN测量系统和监测主机及LabVIEW图形化开发环境组成。顶板监测传感器包括顶板位移传感器和顶板压力传感器。NI－WSN测量系统由无线传感器网络网关和分布式测量节点组成。无线传感器网络网关相当于网络协调员，负责节点授权和消息缓存。测量节点以无线方式发送数据至网关。监测传感器直接与WSN测量节点连接，测量节点将传感器采集的位移与压力信号以无线方式发送至WSN网关，网关从各分布的测量节点收集测量数据并通过专用总线传输至地面监测主机，进行信号分析和处理后，获取顶板位移信息和压力数据。顶板监测系统结构如图1所示。

图1 煤矿巷道顶板监测系统结构Fig.1 System structure diagram of roof monitoring of coal mine roadway

2 系统硬件结构

2.1 顶板监测传感器及其原理

煤矿巷道顶板离层位移监测原理是，采用基点位移测量法，在巷道顶板垂直位置打入钻孔，在孔内设2个基点，孔口布置电位器式传感器，当顶板发生运动时，2个基点之间的距离也发生变化，通过测量2个基点之间的位移差值判定顶板的下沉位移［1］。直线型电位器式传感器由电阻元件和可变电阻的滑动端两个部分组成，其原理图如图2所示。当顶板离层产生位移时，可变电阻滑动端的位置移动，导致输出电压Uo变化，则监测电压Uo的变化即可得出顶板位移的变化量。

图2 直线型电位器式传感器原理Fig.2 Schematic diagram of linear potentiometer type sensor

可变电阻R0滑动端电压的变化量与顶板离层位移量呈线性关系［2］，即

式中，χ为监测点的顶板位移，mm;Uo为可变电阻滑动端的电压，mV;χ0为可变电阻的总长度，mm;Ei为加于可变电阻R0两端的恒定电压。

顶板压力监测采用振弦式钻孔应力计，当顶板压力发生变化时，通过转换元件引起传感器内部的敏感元件振弦产生等效刚度的变化，从而调制谐振器的固有频率，形成谐振频率随被测量变化而变化的频率特性，通过测量频率的变化，即可得知被测压力的变化［3-4］。因此，顶板压力可表示为

式中，σ为所测位置的应力，kPa;ρ为振弦材料的密度，kg/m3;l为振弦的长度，mm;s为振弦的横截面积，mm2;ft为顶板发生位移后振弦的振动频率，kHz;f0为振弦的初始频率，Hz。

2.2 无线传感器网络

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种基于无线网络的传感器信号传输系统，通过位置分散的独立设备连接传感器监控被测物理量或环境量。这些独立设备称为节点，可结合路由器和网关创建典型的WSN系统。分布式测量节点可与无线传感器网关进行无线通信;网关则连通监测终端，帮助用户收集、处理、分析并显示测量数据。

NI－WSN测量系统由无线传感器网络网关和分布式测量节点组成。每个测量节点提供4路模拟通道和4路数字通道，可将各路通道按需配置为输入、漏极输出或源级输出。功耗低，可在恶劣环境下正常运行;其通信借助基于ZigBee的2.4 GHz无线，可达1 000 m户外视距。无线传感器网络网关使用基于ZigBee技术的协议，能与无线测量节点进行通信，继而通过提供网络路由功能，拓展网络距离和可靠性。无线网关可与最多8个终端节点或最多36个WSN测量节点实现通信。

3 LabVIEW图形化程序程序设计

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美国国家仪器有限公司开发的一种图形化编程语言，又称“G”语言，G指的是Graphical Programming Langunge。LabVIEW的核心是数据流编程方式，与传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序不同［5］，LabVIEW提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储，因此，在测试，测量和自动化等领域具有很大的优势。

基于LabVIEW的煤矿顶板监测系统主要包括3个模块，包括数据采集模块、数据存储与查询模块和报表生成模块。

3.1 数据采集模块

数据采集(Data Acquisition，DAQ)是指从传感器和其他待测设备等模拟或数字单元中自动采集信息的过程［6］。传感器将感应的物理信号转换为电信号，如电压或电流，计算机不能直接读取传感器的信号，必须配合使用数据采集卡，它是计算机与外部的接口。LabVIEW图形化编程软件使计算机与数据采集卡形成了一个完整的数据采集系统。通过Lab-VIEW开发的数据采集程序可以对采集的数据进行分析、显示和存储。因此，数据采集模块是整个巷道顶板监测系统的核心。

煤矿顶板变形是一个流变—突变的过程，巷道开挖后，破坏了岩体的应力平衡状态，造成巷道周围一定范围内的应力重新分布，在重新形成平衡状态前，顶板周围的应力都在发生变化，当巷道顶板压力超过某一临界值时，将造成顶板冒落。对巷道顶板的监测是一个连续、动态的过程。数据采集模块需要同时采集两路信号，一路是顶板离层传感器产生的电压数据，另一路是顶板钻孔应力计产生的频率信号，顶板电压采集程序框图与频率采集程序框图如图3所示。

图3 顶板离层电压(上)与应力频率(下)采集程序框图Fig.3 Acquisition program diagram of roof separation voltage(upper)and stress frequency(lower)

数据采集程序的采样模式选择1采样(按要求)，这种采样模式适合低速以及对时间精度要求不高的场合，与巷道顶板缓慢的变化状态相符合。采样时间间隔可以根据实际需要进行适当地调整，在巷道开挖完成初期，顶板应力变化较大，可以缩短采样间隔以增加数据密度，当采集的数据变化较小时，可以适当增大采样时间间隔以减少数据冗余。定时结构为数据采集提供了精确的定时时间，更适用于采样间隔时间较长的情况。

3.2 数据管理模块

在对煤矿巷道顶板进行监测的过程中，会产生大量数据，同时需要当前时间实时采集的顶板相关数据以及查询历史数据，此时，需要程序与数据库建立通讯，建立相关数据的表，存储已采集的数据，并调用数据库实现对历史数据的查询。LabVIEW提供了数据库连接工具包来实现对数据库查询，插入、修改等操作。数据库连接工具包不能创建数据库，需要借助第三方的数据库管理软件，因此，选用Microsoft office中的ACCESS数据库作为监测系统数据库的管理工具。

顶板监测系统的数据管理模块包括2个子模块，数据存储子模块与数据查询子模块。数据存子储模块将采集的数据按日期、通道，是否超过预警值分别写入到数据库中，便于后期对数据查询分析;数据查询子模块能实现对数据库信息的实时查询与显示，了解巷道顶板变化的动态信息，掌握当前巷道顶板的状态。

使用LabVIEW数据库连接工具包操作数据库之前，需要建立与数据库的连接，可以使用 DSN(Data Source Names)、UDL(Universal Data Link)等不同方式连接数据库［7］。本系统选择DSN来连接数据库。当采集的电压数据与频率数据需要存储时，监测系统中的数据库存储程序首先会建立与数据的连接，并在数据库中创建两个新表分别存储两种数据，按编号、日期、通道编码和是否预警的表头将数据存入表中并保存，最后关闭与数据库的连接。顶板离层电压数据存储程序框图如图4所示，应力频率数据存储程序与之类似。

数据查询子程序连接数据库后，调用已存储在数据表中的历史数据，将其显示在监测面板中，顶板离层电压数据查询程序框图如图5所示，顶板应力频率数据查询程序框图与之类似。

图4 顶板离层电压数据存储程序框图Fig.4 Data storage program diagram of the roof separation voltage

图5 顶板离层电压数据查询程序框图Fig.5 Data query program diagram of the roof separation voltage

3.3 煤矿顶板监测系统界面

监测界面是用户与系统交互的窗口，主要分为3个部分，即参数设置，波形数据显示和数据查询界面［8］。根据实际工况对各参数进行设置，开始采集后，波形将在波形图和数组空间上显示，若采集到的数值高于预警值时，下方红色报警灯将点亮。当数据查询按钮按下时，下方表格中会显示历史数据及报警状态。程序模拟运行时的监测界面如图6所示。

图6 监测界面图Fig.6 Monitoring interface diagram

4 结论

运用监测传感器、无线传感器网络和LabVIEW图形化编程环境设计一套煤矿巷道顶板监测系统。对煤矿顶板离层位移和顶板压力进行动态监测，通过无线传感器网络将监测数据传输至上位机，基于LabVIEW的监测程序实现了数据采集与分析、监测结果显示与报警等功能，可实时反映巷道顶板的状态，为评估顶板离层的稳定性与安全性提供有力的科学依据，起到避免顶板事故发生的作用。

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