基于煤矿顶板离层实时动态无线监测系统设计

2020-06-02常云泽

煤矿机电 2020年2期

常云泽

(晋城无烟煤矿业集团有限责任公司技术中心，山西晋城 048006)

0 引言

顶板离层是指巷道周边围岩与远离周边的围岩之间出现台阶式跃变，进而引发顶板冒落的灾难性事故，其不但影响煤矿的正常生产，而且会造成人员伤亡。长期以来，煤矿安全问题一直是制约煤炭工业发展的重要因素,当前我国采掘工作面回采巷道的顶板主要有棚式和锚杆两种支护形式：棚式支护是依靠支架自身的强度和刚度为顶板岩层提供支护抗力，起到支护作用；锚杆支护是利用锚杆将巷道周边岩体加固，使锚杆与所锚固范围内的岩体共同组成一个支护体系来支护巷道顶板。锚杆支护对巷道围岩的强化作用可显著提高围岩的稳定性，加之支护成本低，可明显改善作业环境和安全生产条件，提高矿井的技术经济效益，因而成为世界各国矿井巷道的一种主要支护形式。因此,实时监测锚杆支护巷道，可提前预测顶板离层走向并及时采取相应措施，从而防止顶板冒落，避免突发性事故的发生变得尤为重要。但目前常用的顶板离层仪是靠人工定时观察测量顶板离层状况，误差较大，而且不能实时监测，煤矿安全生产得不到保障。鉴于此，本文设计了一种基于射频通信技术的低功耗煤矿顶板离层实时动态无线监测系统。

1 顶板离层实时动态无线监测系统结构

顶板离层无线监测系统结构如图1所示，该系统是专门针对矿井下锚喷支护巷道内顶板离层位移量的自动化监测、预警系统，它主要由传感器节点、监测分站、手持采集器和地面监测台4部分组成。该系统采用可靠的无线射频通信技术,可实现巷道顶板位移数据的监测、传输、分析、显示以及预警。监控分站提供以太网接口连接到井下原有环网,将监测数据安全快速地传输到地面监控台。地面监控台采用列表、曲线等多种方式,将各监测点数据进行显示，实现安全生产的远程监控。

图1 顶板离层实时动态无线监控系统

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点

传感器节点主要由微处理器(MCU)、无线通信模块、1×5薄膜按键、LCD模块、电池模块和位移传感器组成。该设计所采用的微处理器是一款低功耗处理器，通过软件配置可实施不同休眠等级，不同休眠等级的功耗也不同，配合无线通信模块设计,可实现传感器节点的自动休眠和载波监听唤醒，既延长了设备使用寿命，又降低了井下维护难度和费用，减少了井下工作量。

无线模块的原理及其与MCU的连接如图2所示。

图2 MCU原理

当MCU在一定时间里没有接收到来自无线模块的数据时,会自动进入休眠模式，这时它的位移采集模块正常工作，其他内部模块都停止工作以降低整机功耗。MCU的唤醒方式主要有两种：当位移采集模块采集的数据达到报警门限时,它会主动醒来以发送报警；而当无线模块接收到外界的查询信号时,它会被无线模块唤醒，接收处理查询信息。

无线通信模块作为本设计的重要单元，同样采用了低功耗的设计,如图3所示。经过配置，模块在除主动发送外的其他时间均处于接收状态，并开启WOR(无线载波唤醒)功能，即该模块在没有数据可发送或接收的情况下,进入了休眠模式;当检测到信道上有截波振动时，才唤醒进行数据接收，这种应用进一步降低了整机功耗。另外，无线模块的其他一些配置采用了如2-FSK制式、433 MHz的载波频率、2.4 kbit/s的数据传输速率等,可降低整机功耗,稳定通信质量，使通信距离达到300 m以上，而丢包率

图3 无线通信模块原理

远远小于5%。

传感器节点的功能包括：

1) 2路位移模拟量输入，2路数字I/O输入(光电隔离)。

2) 通过键盘配置输入，对节点进行配置，液晶显示配置信息。

3) 定时向井下分站无线发送数据。

4) 低功耗器件，定时采集数据。

5) LED指示位移量报警。

6) 载波唤醒向无线数据采集器发送顶板位移量和地址。

7) 实时时钟记录信号采集日期、时间。

8) 供电控制模块，最大程度节省电池组电能。

9) 体积小、本质安全电路、安装维护方便。

位移传感器达到的性能指标：最大量程为500 mm，安装方式为2点式，采集分辨率为1 mm，布点距离50 m，电池工作时间大于6个月。

2.2 监测分站

监测分站以ARM内核处理器LPC1758为中央处理单元，由电源转换单元、数据存储单元、通信网络接口单元、键盘输入单元、液晶LED显示及声音报警单元、无线通信单元及时钟电路组成。其无线通信模块设计同传感器节点,监测分站设计原理如图4所示。

图4 监测分站原理

数据存储单元由静态RAM构成，可保存该井下监测分站所负责的40个监测节点、24 h、3个班次(或4个班次)所采集的顶板位移数据。键盘输入单元可设定分站地址、修改实时时钟、查询传感器节点数据等。液晶LED显示及报警单元，可显示时间、最新存储的一个传感器节点的数据，报警节点地址、报警位移量，并可通过翻页键逐条查询单个节点数据。LED指示灯包括电源指示灯、系统运行指示灯、以太通信指示灯、报警指示灯。无线数传单元负责完成与最邻近顶板位移传感器节点的数据通信，当5 m范围内有无线数据采集器，并接收到该无线数据采集器的数据上传指令时，可把当前存储的分站数据传送给无线数据采集器。以太接口传输单元完成与地面监控中心的数据通信，使顶板监测数据可通过矿山工业以太网传输到地面监控中心。电源转换模块负责将输入的矿用直流电源变换为单片机系统所需+5 V或3.3 V电压。

2.3 便携式数据采集器

便携式数据采集器以低功耗单片机LPC1758为中央处理单元，由磷酸铁锂电池、电源管理单元、数据保存单元、RS-232传输单元，键盘输入、液晶显示及报警单元、无线通信单元和纽扣电池及时钟电路组成,其无线通信模块设计同传感器节点，其设计原理如图5所示。

图5 采集器设计原理

便携式数据采集器以可充电电池方式供电，通过电池充电接口以及内部电源管理单元对电池充电。当系统工作时数据采集器内部锂电池可为扭扣电池充电，以保证采集器关机后系统时钟能正常运行。

便携式数据采集器主要功能包括：

1) 当系统地面监控中心主机和分站之间不能通过以太网联网，以至于传感器采集到的数据无法自动发送到地面主机时，可以利用采集器获得传感器或者分站的顶板离层数据。

2) 利用采集器按键可实现本机的开机、关机、ID号设置、时间设置、已获得数据的查询等功能。

3) 液晶显示器可实时显示已采集到的传感器上顶板深基点和浅基点离层位移量，并配合按键显示相应菜单和设置项。

4) 当采集器成功获得一个传感器上的数据时，采集器会鸣叫1声进行声音提示；当采集器无法获得一个传感器上的数据时，采集器会鸣叫2声进行声音提示。

5) 数据采集完成后，将采集器带到地面，利用采集器下端RS-232接口，将数据导入监控中心的主机监测软件中。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括节点软件设计、分站软件设计、便携式采集器软件设计、上位机软件设计。

系统工作流程见图6。传感器节点负责实时监测所在点的顶板位移量并定时保存至本地存储器，或响应井下分站及便携式数据采集器的远程数据查询。当位移超限时，节点可以在30 s内做出响应并立即上报给井下分站，同时节点的红色LED闪亮做出警示。监测分站每隔一段设定的时间向传感器节点发起数据查询，将节点保存的顶板离层数据，通过射频通信模块以无线方式传输到本地FLASH，以供工人或上位机查询。同时，监测分站还可以远程对其管理下的传感器节点的配置信息进行修改、重置等维护。便携式采集器是一个机动设备，它可以随工人到任何地方以无线方式采集附近的节点或分站上保存的位移数据，带到地面监控室后再以RS-232的或USB的通信方式将采集到的数据上传到监控上位机上的监控软件数据库中。监控中心上位机软件是一个以微软SQLServer2005数据库为中心的软件系统，该软件系统是基于Windows .NET平台开发的，该数据库管理软件主要用于中小型企业数据库解决方案，具有稳定性高、成本低、使用方便等优点。监控中心对分站上传的各顶板监测点数据进行统计、分析、报警、保存，并且能配置分站和监测节点的相应参数,如图7所示。

图6 系统软件工作流程

在系统软件设计中最重要的内容是低功耗的软件实现和节点之间的路由协议。低功耗的软件实现在系统硬件设计部分已附带说明，而路由协议的设计也是本设计软件中的难点。由于节点是以链式排列的，距离分站远的节点数据要到达分站需要上一级的节点做路由，并且数据在节点链上是有方向的，即节点发给分站的数据是向分站方向传输的，无线信号是全方向的，它可以被当前节点的上一个节点接收到，也可以被下一个节点接收到，故需要有一套稳定的路由协议确保数据的传输方向正确，根据无线信号的特点，同一信号可能被当前节点的以下(或以上)多个节点接收到，因此设计了一套合理、稳定、有效的路由协议,即所有在同一链路上的节点按照前后顺序编好序号，在协议中规定了报文的发送号、转发号、目的号，一条报文只能在相邻的3个节点中传输，这样可避免多个节点同时转发同一条报文的冲突问题，并且报文可按照节点链路安全到达目的节点。实际应用表明，该路由协议能稳定可靠地将报文送到目的地。

图7 监控中心上位机软件

4 结论

煤矿顶板离层动态无线监测系统主要采用433 MHz无线射频技术,替代传统顶板监测系统中的有线通信方式，实现了矿山井下巷道顶板离层位移量的数据采集、数据监测、无线传输、无线联网、预警和数据分析等功能。该系统具有构成简单、扩展方便、可靠性高、组网灵活等特点，同时低功耗的应用使节点寿命大大加长，降低了维护成本和工作量。目前该系统已被应用，运行稳定，监测效果良好，参数指标如表1。