基于无线传输方式的综采工作面液压支架压力监测系统研究

申请，方便测试。查阅相关芯片手册可知，理论上，MAX1595芯片的效率在输出80 mA的情况下可以达到80%左右。

2.3   显示电路

显示电路的所有器件都采用3.3 V供电，可以免去板上供电不统一须经过电源芯片转换的情况，简化了硬件设计。显示电路如图4所示。图中，U18为段选锁存器，U19为位选锁存器，二极管D1和D2为电源指示灯，D4为光敏二极管，检测外界是否有灯光照射，有光照射时，单片机检测到下降沿，給段选和位选锁存器供电5 s，控制显示电路工作5 s后自动关闭。图中段选端8位、位选端4位和相应控制端用网络标号或总线的形式与CPU电路图连接。

2.4   信号放大电路

定制的压力传感器输出信号为0～20 mV，这种信号制式直接接在单片机A/D引脚上，不容易被监测出来，信号必须经过相应处理（滤波、放大等），才能接到单片机A/D采集端。普通的信号放大电路中通常只采用基本的差动放大电路即可满足要求，即采用两个运放构成差动放大电路，但是这样做信号精度不够，且变更放大增益须调节两个电阻值，不适用采集液压支架的压力，所以采用三级运放构成的仪表放大电路，如图5所示。

参数选择参照式（1）和（2），由需要的增益值可推算出电阻值RG。式中G为增益值，默认用内部电阻不接外部电阻时G=1，此处选择G=165，将信号放大165倍接入单片机的A/D端。

（1）

RG=100KΩ/（G-1）（2）

硬件设计对系统工作稳定起到至关重要的作用，CPU选用TI公司的MSP430F5438单片机，优秀的低功耗性能使系统功耗处理方面表现优越。传感器节点选择美信的电源管理芯片MAX1595对5.5 V电池电压进行管理，使输出电压稳定在3.3 V。当检测到输出电压不稳定时，说明电池电量过低，低于芯片要求的1.8 V，此时，关断电池供电，保护后续电路，避免因电源问题产生不必要的干扰，造成虚假数据产生，误导调度人员。接收分站采用LM2576将12 V电压转换为5 V，给信号传输分站供电。显示电路采用两个锁存器驱动四位八段数码管，现场显示压力值，由光敏二极管控制显示功能的启动与关闭，在有矿灯照射时打开显示功能5 s，然后关闭显示。信号接收分站和上位机的通信电路采用SP3485芯片，3.3 V供电，DE端控制半双工的收或者发状态。无线模块与单片机的接口电路中，set引脚留出配置端子，当需要更改模块参数时再配置。

3     Zigbee无线组网

3.1   无线自组网

选用深圳市汇睿微通科技的433 MHz无线串口模块XL-08，采用直接操作串口（UART接口，TTL电平）即可实现压力数据传输。有以下特性：①工作频率为定制的433 MHz，符合ISM频段的免费无线通信规定;②信号调制制式为FSK;③低功耗模式下，休眠电流可低至2 μA;④发射功率0 dBm /5 dBm /10 dBm /20 dBm（默认15 dBm）;⑤发射电流参考值33 mA@10 dBm、85 mA@20 dBm，接收电流17.5 mA;⑥用户接口电平为TTL（定制），可直接和MSP430单片机UART接口相连;⑦接口数据格式：9600、N、8、1（可用相应软件配置模块的通信波特率）;⑧外形尺寸17.5 mm×35 mm。模块和单片机连接时因为电平信号都是TTL，所以XL-08无线模块可直接和单片机进行串口连接。

3.2   天线匹配

天线是无线通信系统的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响通信系统的指标，在选择天线时必须注重天线的性能。一般天线选择看两个方面，第一是选择天线类型，第二是选择天线的电气性能。此外，天线放置将影响天线性能，位置不当会引起天线效率低、无线电波被吸收、模块阻抗失配，这些都会使XL-08的发射功率和接收灵敏度降低，影响无线模块的传输距离和通讯稳定性。内置天线要避开电源、金属物、晶振及高速单片机输入输出接口线路，所以天线最好在电路板外侧放置，主要选择的天线有弹簧天线、螺旋SMA头天线、车载天线及增益天线，如图6所示。选用ZW-433M天线，在外壳中放置于电路板边上，用90°转接头将天线和电路板相连。

4     软件设计

软件编写包括单片机的数据采集程序设计和上位机软件设计。数据采集设备的软件采用IAR编译环境。上位机选择Visual Basic6.0开发环境，选择VB语言编写数据存储及分析。上位机软件主要包括协议解析、数据存储、曲线显示和趋势报表打印等功能。对上位机软件的编写因为篇幅原因仅对软件做一个概述。

4.1   Winsock控件

Winsock控件是微软对socket API函数进行了集成，制作的一个对应用程序编写者来说容易操作的一个集成控件。运行时不可见，控件提供了访问TCP和UDP网络便捷途径。VB、VC++的开发人员都可使用。为编写客户端或服务器端应用程序提供了简易方法，不必了解TCP的细节或调用复杂烦琐的Winsock API函数。通过设置控件属性，调用控件相应方法就可轻易连接到以太网内的其他服务器上，实现双向交换数据。具体的以太网传输层数据编码传输协议集成在Winsock控件内部，在以太网内部，按数据的发送和接收机制，计算机和相关设备可以分为服务器和客户端两种类型，在某一台电脑上创建了应用程序的客户端，可以从相应的服务器中采集数据，具体的实现方法如下：可以在客户端上设定需要连接的服务器的IP地址（即Winsock控件的RemoteHost属性值）和端口号（即Winsock控件的RemotePort属性），再用按钮关联Winsock控件的Connect方法，连接上服务器相应端口后，就可以访问服务器中的数据。之后可以调用Listen方法，监听控件的通信状态，当通信故障时，可以设置一个定时器，定时重拨，重拨预定的次数后还未恢复正常，则提示软件维护人员设备通信故障，检查相应网路。

4.2   系统软件设计

系统软件设计主要包括显示部分和无线通信部分的程序，程序设计思路如图7所示。

编写和调试单片机程序是在IAR环境中进行的，其中，显示部分采用动态扫描显示压力数值，只有在矿灯照射的情况下才会显示5 s，然后自动关闭。数据采集程序注意A/D通道和相应寄存器配置，通信程序注意区别接收分站和每个压力传感器节点，按照预先制定好的点对点无线传输协议将数据传输至接收分站后，由接收分站经过数据处理后，变为一个一个16字节的十六进制数据包发送到串口服务器，串口服务器再经以太网发送至地面数据采集主机。上位机采用VB 6.0编写，关键是Winsock控件的相应参数属性值配置，监听预定义的端口，当接收缓冲区到达16字节时，触发接收事件，在事件相应程序中处理接收的数据，把数据包还原为字符数据后便于分割处理，然后经过校验后，再按照协议分开显示再存入SQL2005数据库中。

数据库中有多个表格，可以配置传感器的安装位置，设置通信参数，修改传感器的地址号。用微软的MSChart控件实现了压力的实时柱形图和历史曲线图绘制，用水晶报表制作了相应压力报表文件。上位机软件预留了其他监测系统的接口，比如离层监测系统、锚杆应力监测系统等。可以用很短时间开发出通信驱动和相应数据分析处理模块，实现煤矿综合监测系统，为综采和掘进提供更全面的数据。

5     结 语

针对现有顶板压力监测设备的缺点，相关研究人员设计了综采工作面液压支架的无线压力监测系统。通过系统设计方案的选型和测试，选择了效果比较好的433 MHz无线通信模块，在工作面等复杂环境下可以稳定传输50 m。结合工作面实际情况，制订了点对点接力传输的无线组网方案，虽然这种方案需要提前对设备安装方式及无线组网进行详细规划，不利于现场安装，但综合分析，还是比网状网络有优势。

硬件设计方面，针对433 MHz无线模块，配备了适用于现场要求的外围设备。主芯片选择TI公司的超低功耗单片机，选择专业厂家的液压支架压力传感器，通过仪表放大器AD623对信号进行处理，通过单片机UART接口发送给定制的无线模块，数据被一级一级传递到终端节点，通过光纤网络发送至地面服务器。上位机采用VB 6.0编写相应数据采集和分析程序，用Winsock控件采集压力数据，MSChart控件用于绘制实时柱形图和历史曲线图，用水晶报表制作专业压力分析报表文件。

通过上述工作，实现了煤矿综采工作面液压支架压力监测的基本功能，通过对相应数据进行分析、绘制图表等操作，可以直观看出某个支架的工作情况，及时调整液压支架的工作状态，对压力不正常的支柱进行调整，为其他系统预留的接口可以很快开发出离层、锚杆应力的分析软件。

主要参考文献

[1]郝君，刘佳媛，何龙伟.煤矿浅埋煤层综采面矿压事故预防[J].西安科技大学学报，2011（6）.

[2]张兰，许江，张延松.我国煤矿安全生产管理存在的问题及发展趋势[J].矿业安全与环保，2011（6）.

[3]初风蛟.综采工作面液压支架倾倒原因分析与防治[J].中州煤炭，2011（12）.

[4]任永康.千秋礦放顶煤采场上覆岩层移动及矿压显现规律研究[D].焦作：河南理工大学，2011.

[5]薛利娟.基于ZigBee技术的无线自组织的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.

[6]邹德蕴，刘志刚，姚树阳.采场矿压监测与数据信息融合技术应用研究[J].煤炭科学技术，2011（8）.

[7]张磊.硬岩层状顶板失稳规律与支护技术研究[D].长沙：中南大学，2010.

[8]李新娟.美国煤矿安全管理发展的研究与分析[J].中国安全科学学报，2011（10）.

推荐访问： 工作面 支架 液压 监测系统 无线传输

---