针对目前煤矿顶板压力监测的不足, 结合庞庄 煤矿高压力真实的情况, 将 Z igBee 无线压力监测系 统应用于 942综采工作面。与传统的人工监测技术 相比, 本系统具有实时性强、稳定性高、测量精度 高等特点, 非常大地节省了人力和时间。此外, 本系统 还可以与瓦斯、煤尘等实时监测融为一体, 经服务 器与局域网相连, 整个矿务局经局域网均可观测到 监测的数据, 具备比较好的应用价值。
一般采用在液压支架上安装数字压力计, 通过人工 按时进行检查压力计数据并手工绘制曲线来分析顶板压 力的运动规律 [ 5, 6] 。这种方法不仅费时费力, 而且 无法体现矿压数据的实时性。近年来出现了在井下
安装压力传感器并敷设电缆来传输数据的矿压监测 系统 [ 7] , 但是随着工 作面的推 进, 矿井 结构不断 发生明显的变化, 高地压作用会使巷道变形, 对通信线路 的延伸和维护带来非常大的困难。此外有线 压力传感器节点硬件
全不锈钢圆 柱型结构, 体 积小, 重 量轻, 使 用方 便, 适用于煤矿井下恶劣的环境。其压力测量范围 最高达到 66MP a, 零点输出 0 2mA ( 0MP a), 满量 程输 出小于 1 3mA ( 60M Pa )。 sns/ dmd / c压 力传 感器采用压阻应变的 4个金属溅射电阻组成电桥电 路, 如图 4 所示。 R1, R 2, R 3和 R4 为溅射在敏感 元件弹性片上的电桥电阻, 其中相对设置的一对电 阻受压, 另一对受拉。流体介质压力直接作用在敏 感元件的弹性体膜片上, 使膜片发生变形, 惠斯登 电桥的电阻值发生明显的变化 R 1R 3 R 2R 4, 电桥失去平 衡, 输出与压力成正比的电信号。此电信号经运算 放大器 AD620放大后接到 MC13213的 AD1P0端口 进行 A /D转换。
2 2 压力传感器节点硬件电路设计 压力传感器节点是总系统的重要部分, 其硬
件电路框图如图 3所示。最重要的包含电源、传感器、 信号调 理电路、天线 匹配电路、复 位及时钟等模 块。压力传感器将检测到的数据经信号调理电路后 送到 MC13213的 H CS08做处理, 并经射频模块 将信号发送出去。
布线烦杂, 劳动强度较大, 有可能会出现监控盲点。一 旦通信线路由于某一些原因出现故障, 整个安全监测 系统就可能瘫痪, 严重影响了系统的可靠性。
针对目前矿压监测系统的不足之处, 以徐州矿 务集团庞庄煤矿 942综采工作面为研究对象, 提出 了一种基于 Z igBee 技术的综采工作面顶板压力无
压步距为 25m, 最小周期来压步距为 16m, 周期来 压平均步距为 22m, 如表 1所示。
庞庄煤矿 942综采工作面位于井下 - 620m 水 平采区, 工作面长 100m, 平均采高 3m, 安装液压 支架 70架。目前工作面采用指针式压力计测量顶 板压力, 通过人工读表采集数据并做多元化的分析。新设 计的无线压力监测系统网络结构如图 1所示。
系统由压力传感器节点、网络路由器、网络协 调器及井上监控中心等部分所组成。工作面安放 4个 压力传感器, 分别布置在 5号、 25号、 45号和 65
( 1 徐州师范大学 物理与电子工程学院, 江苏 徐州 221116; 2 山东科技大学 资源与环境工程学院, 山东 青岛 266510; 3 徐州矿务集团 庞庄煤矿安监部, 江苏 徐州 221141)
[ 摘 要 ] 基于 Z igBee协议栈, 设计了一种矿 井综采工作面矿压无线 监测系统。系 统通过压力 传感器检验测试工作面顶板压力 , 经 Z igBee无线系统传 输至地面 上位机 并通过 L abV IEW 自动绘制 成压力 曲线图, 实现综采工作面顶压力的实 时采集、测量、无 线传输通信功能。
寻找网络协调器并申请加入, 如果没有加入成功, 则重新加入网络, 直到收到信号, 获得 16位 的网络地址, 则加入网络成功。然后协调器和终端 节点进行数据通道的绑定, 分别执行发送数据和接 收数据的函数。
在煤矿的各类自然灾害中, 顶板事故是煤矿的 多发事故。资料显示在煤矿生产中重大事故 40% 以上由顶板事故引起 [ 1 - 3 ] 。因此, 如何实时、有效 地监测顶板的压力慢慢的变成了煤矿安全监控系统中的 研究重点 [ 4] 。
压力数据 的采集采 用 sns/ dm d / c 型压 力传感 器。安装在液控单向阀和立柱下腔之间, 检测立柱 下腔的压力。 sns/ dmd / c矿用本安型压力传感器为
转发及协调器采集 3部分。协调器主要负责组建一 个新的网络, 接收来自于路由器的数据, 开启空闲 通道等功能。而路由器与压 力传感器节点 功能相 似, 主要负责 加入网络、周 期性的发送数 据等功 能。图 5所示为压力传感器和协调器节点的软件设 计流程图。首先网络协 调器上电初始化 Z igBee 协 议栈, 进行信道扫描, 选择一个信道和网络标识, 开启一个网络, 等待别的设备加入网络。传感器节 点或路由节点上电初始化后, 首先进行信道扫描,
界面可以实时显示顶板的压力数值、实时绘制 压力曲线、历史压力数据及迄今为止整个压力曲线 图, 同时能外接打印机打印压力数据表。另外可
3 2 上位端软件设计 上位机采用软件 L abV IEW 设计压力监测系统
的界面, 通过 RS485 总线与下位机 协调器进行通 讯, 实时接收下位机采集到的顶板压力数据, 并绘 成曲线所示。
以根据真实的情况设定最大压力上限值, 当顶板压力 值超过此上限时系统自动发生报警。
号支架内, 对顶板压力实时采集。节点将采集到的 实时信息通过无线方式传送到路由器节点。协调器 负责接收路由器发送过来的数据, 对数据来进行初步 处理经副井中的 RS485专用电缆将数据传送至地 面服务器, 由连接在服务器的监控设备对压力信息 数据来进行监控分析, 同时绘制成实时图形曲线 系统结构及硬件电路