煤岩应力分布式监测系统设计.pdf

第 4 1 卷 第 1 0期 2 0 1 5年 1 O月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i on V0 1 ． 41 NO ． 1 0 Oc t ． 2 0 1 5 。 ’ ’ i科研成果 ⋯ ． ．H ． ． ◆ 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 1 0 0 0 0 1 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 0 1 慕灯聪 ， 孟磊 ， 丁恩杰 ， 等． 煤岩应力分布式监测系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 O 1 - 4 ． 煤岩应力分布式监测系统设计 慕灯 聪 ， 孟磊 ， 丁 恩杰 。 ， 张 申 ， 邓 园芳 。 1 ． 中 国矿 业 大学 物 联 网 感 知矿 山 研 究 中心 ， 江 苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 矿 山互 联 网应用 技术 国家地方 联 合工 程实 验室 ， 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对现有煤岩应力监测存在布线复杂、 可扩展性差及数据传输 实时性不 高等问题， 基于无线传感 器 网络 架构 ， 设计 了一种 煤岩 应 力分布 式 监测 系统 。该 系统 以 C C 2 5 3 0芯 片为核 心 ， 利 用传 感 节点 采 集钻 孔 煤岩 应 力 ， 路 由节点 通过 Z i g B e e网络接 收 采集 数据 并传 至 汇聚 节 点 ， 汇 聚节 点通 过 工 业 以 太 网将数 据 传 到 上位机进行显示、 存储和分析 。测试 结果表 明， 传 感节点与汇聚节点间最大通信距 离达 5 0 m， 该 系统可 实 时 、 准确 地监 测 煤岩 应 力 ， 具 有操 作 方便 、 部署 灵 活 、 易于扩展 等优 点 。 关键 词 煤 岩应 力 ；分 布 式监测 ；无线 传感 器 网络 ； Z i g B e e 中图分类 号 T D3 1 1 ／ 6 5 5 ． 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 9 2 9 1 4 4 0 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 9 2 9 ． 1 4 4 0 ． 0 0 1 ． h t ml De s i gn o f d i s t r i b ut e d c o a l r o c k s t r e s s mo ni t o r i n g s y s t e m MU De n g c o n g - 一， MENG Le i 一， DI NG En j i e ， 一， ZHANG S h e n ， ， DENG Yu a n f a n g t 。 1 ． I n t e r n e t o f Th i n g s Pe r c e p t i o n M i n e Re s e a r c h Ce n t e r ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；2． Na t i o n a l a n d Lo c a l J o i n t En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f I n t e r n e t Ap p l i c a t i o n Te c hn ol o gy on M i ne，Xuz ho u 22 1 0 0 8，Ch i na；3． Sc ho o l o f I nf or m a t i on a nd El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng， Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr ob l e ms o f c ompl e x wi r i ng，ba d e xt e ns i bi l i t y a nd l ow r e a l t i m e pe r f o r ma nc e of da t a t r a ns m i s s i on e x i s t e d i n c o a l r o c k s t r e s s m o ni t or i n g，a d i s t r i bu t e d c oa l r o c k s t r e s s m o ni t o r i ng s y s t e m ba s e d o n wi r e l e s s s e ns or n e t wo r k wa s d e s i gn e d．The s y s t e m t a ke s CC2 5 3 0 a s c o r e ，c o l l e c t s dr i l l i n g c o a l r o c k s t r e s s t h r o u g h s e n s o r n o d e ．Ro u t i n g n o d e r e c e i v e s a n d t r a n s mi t s t h e c o l l e c t e d d a t a t o s i n k n o d e t hr o ug h Zi gBe e ne t wo r k．Th e s i n k no de s e nds t he da t a t o up pe r c o m p ut e r f o r di s pl a y，s t or a ge a nd a n a l ys i s t hr o ug h i n dus t r i a l Et he r n e t ． The t e s t r e s ul t s s ho w t ha t t he s ys t e m c a n r e a l i z e r e a l t i m e a n d a c c u r a t e mon i t o r i ng o f c oa l r o c k s t r e s s wi t h t he ma xi mum c o m mun i c a t i o n d i s t a nc e be t we e n s e n s o r n o de a n d s i nk no de i s 5 0 m a nd ha s a dv a nt a ge s of c o nve ni e nt op e r a t i on，f l e x i bl e d e p l oy me nt a n d e a s i l y t o e x pa n d． Ke y wor d s c o a l r o c k s t r e s s；d i s t r i b ut e d m o ni t or i n g；wi r e l e s s s e ns or ne t wo r k；Zi g Be e 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 5 2 3 ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 8 2 0； 责任编辑 盛男。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 4 1 3 0 2 2 0 3 ； 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 资助项 目 2 0 1 3 AA0 6 A4 1 1 ； “ 十二五” 国家科技支撑 计划资助项 目 2 0 1 2 B AH1 2 B 0 1 。 作者简介 慕灯I 1 9 8 9 -- ， 男 ， 安 徽蒙 城人 ， 硕士 研究 生 ， 主要研 究方 向为 无线传 感器 网络 ， E ma i l 7 8 7 3 5 7 6 1 0 q q ． c o rn。通信 作者 孟磊 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东济宁人 ， 助理研究员 ， 博士 ， 主要研究方 向为矿 山灾害感知 ， E ma i l me n g l e i c u mt 1 2 6 ． c o rn。 2 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 0 引言 煤岩应力是指在地下采掘活动影 响下 ， 原有的 地 应力 平衡 被打 破 ， 并 在 煤 岩 空 间 重新 分 布 后 的 次 生 应力 。当重新 分布 的应 力超 过煤 岩体 的极 限强 度 时 ， 会使采掘工作面周 围的煤岩体发生破坏 ， 进而诱 发冲击地压 、 煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害[ 1 ] 。实 时监 测采 动 过程 中煤 岩应力 的动态变 化对 于研 究煤 岩 动力灾 害 机理 、 预 防 灾 害发 生 及 顶 板 控 制 具 有 重 要 意义 。 现有 的 煤 岩 应 力 监 测 包 括 在 线 式 和 离 线 式 2种 。 在线 式监 测基 本采 用钻 孔 应 力计 、 分 站 与 有 线 传输 网络的结构 ， 建设成本高 ， 线缆错综复杂 、 易被 损坏、 延伸拓展较 困难 ， 尤其在井下 工作面经 常搬 迁 、 有线传输 网络未及时覆盖条件下 ， 在线式监测很 难实现快速 、 及时部署 。离线式监测使用 自计 式仪 器 ， 由工 人定 时 到井下 采集 数据 ， 数据 的 实时性 与 连 续性 较差 ， 后 期数 据分 析与 处理 滞后 ， 不 能及 时发 现 问题 。目前 ， 集成智能传感器 、 嵌人式系统、 无线通 信等的物联网技术广泛应用于矿山领域 ， 无线传感 器 网络 Wi r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k ， WS N 作 为 重要 的感 知手段 ， 具 有 自组 网、 部署灵 活、 功耗 低等特 点 ] 。本 文基 于 WS N 架 构 ， 采 用 Z i g B e e网络 ， 以 C C 2 5 3 0芯 片 为 核 心 ， 设 计 了 一 种 煤 岩 应 力 分 布 式 监测 系统 ， 该 系 统 可 准 确 、 实 时 地 显 示 煤 岩 应 力 变 化 ， 为预测 、 预 防 冲击地 压等 煤岩 动力 灾 害提供 重要 的数据支持。 1系统硬 件设 计 煤岩应力分布式监测系统 主要 由传感节点 、 路 由节点、 汇聚节点及上位机组成 ， 如图 1 所示 。传感 节点采集钻孔煤岩应力并传送 至路 由节点 ， 路 由节 点将数 据 通过 多跳 的方 式 传 至 汇 聚节 点 ， 汇 聚节 点 通过工业以太网将数据传送给上 位机 ， 通过上位机 的人 机交 互界 面读 取煤 岩应 力监 测数 据 。 1 ． 1传 感 节点 传感节点主要包括应变式应力传感器 、 信号调 理 电路 、 C C 2 5 3 0射 频模 块 、 电压 转 换 电路 、 电 池 电 量监 测及 状态 指示 灯 ， 如 图 2所 示 。应 变式 应 力 传 感器将采集的应力信号转换为电压信号 ， 经信号调 理电路放大后送至 C C 2 5 3 0射频模块 ， C C 2 5 3 0射频 模块将应力数据及电池电量等信息打包发送给路由 节点 。考 虑 到功耗 问题 ， 采 用 3 个 L E D指 示灯 分别 表示工作状态、 缺电报警及阈值超限报警 ， 方便井下 工 作人 员观 察 。 备用服务器 服务器 上位机 传感节点传感节点 传感节点 传感节 点 传感节点 传感 节点 图 1 煤岩应力分布式监测系统结构 际 电压 应 匾哥 l 磷 譬 H 电 量 l 电 池 l l 电 路 C C 25 30 射 频 模 块 _ ． 1 皇 兰墨 苎 竺 r - J 图 2 传感节点结构 传感 节点 采用 容量 为 5 A h的 3 ． 2 V 磷 酸 铁 锂电池供电， 经 电压转换 电路转换为 3 ． 3 V 电压。 考虑 到硬 件设 计要 求 电源具 有功耗 低 、 稳压 、 纹 波小 等特 点 ， 电压转 换 电路采 用 TP S 7 9 4 3 3芯 片 ， 其 输 入 电压 范 围 2 ． 7 ～ 5 ． 5 V， 输 出 3 ． 3 V 电压 时的转 换 效 率达 8 O 。 应变式应力传感器采用 弹性钢 ， 可承受较大应 力 。在传 感 器 中间 两 侧 可 发 生 形 变 位 置 粘 贴 应 变 片 ， 组 成全 桥 电路 ， 当传 感 器 受 力 后 弹 性 钢 发 生 形 变 ， 导 致两 侧 的应 变 片 形 变 ， 从 而 全 桥 电路 失 去 平 衡 ， 输 出与 应 力 成正 比 的 电压 信 号 ] 。全 桥 电 路 采 用 2个 半 桥 应 变 片 ， 电 阻 为 3 5 0 Q， 灵 敏 系 数 为 2 ． 0 1 。受生产工艺等因素影响， 应变片阻值不 可能完全相等 ， 存在少许偏差 ， 使得传感器未受力时 全桥电路输出不为零 ， 因此， 采用滑动变阻器设置调 零电路， 通过 调节 滑动变 阻器 的阻值 使 电桥趋 于 平衡 。 煤岩 应 力 引起 的应 变 片形 变 较 小 ， 使 得 输 出 电 压为毫伏级 实测为 0 ～4 mV ， 需通过信号调理 电 路放 大至 C C 2 5 3 0可采 集 的 O ～3 ． 3 V。采用 具有 高 精度 最大 非 线 性 度 4 0 1 0 、 低 失 调 电压 最 大 失调 电 压 5 0 u V 和 低 功 耗 最 大 工 作 电 流 仅 1 ． 3 mA 等特 点 的 AD6 2 0放 大器 _ 7 ] ， 仅 需 1 个 外 部 2 0 1 5年 第 1 0期 慕 灯聪 等 煤岩 应 力分布 式监 测 系统设计 3 电阻 即可 设置 增益 ， 增 益范 围可达 1 ～1 0 0 0 。 1 ． 2路 由节 点 路 由节点的主要作用是寻找最佳路径将传感节 点发来 的数据转发给汇聚节点 ， 同时接 收汇 聚节点 发送的上位机指令并转发给传感节点 。在网络 中添 加 路 由节 点可 有 效 扩 大 网络 覆 盖 范 围 。另 外 ， 路 由 节点 能 够 自愈 Z i g B e e网 络 ， 如 果 某 个 无 线 连 接 断 开 ， 路 由节点 能 自动 寻 找 新 的路 径 来 避 开 断 开 的 网 络连接 ， 极大提高 了网络的可靠性 。 路 由节 点 通 常 需 要 一直 处 于 活 动 状态 ， 必 须使 用 主 电源供 电 ， 但 考 虑 到 突 发 紧 急 状 况 时 主 电 源 不 能及时供电， 因此设计 了 2种供 电方式 。路 由节点 结构如图 3 所示 。隔爆兼本质安全型 电源输出电压 为 1 2 V， 电压转换 电路采用 K7 8 L 0 3 5 0 0 R2高效率 稳 压器 将 1 2 V 转换 为 3 ． 3 V， 转换 效 率可 达 9 0 ％ 。 隔爆兼本质 安全型 电源 磷酸铁锂 电池 按键 I I 指示灯 _ ． 1 皇 皇 墨 些 r _ J 图 3路由节点结构 1 ． 3汇 聚 节点 汇聚 节点 负责 启 动和 配置 整 个 Z i g B e e网络 ， 连 接 Z i g B e e网络与工业 以太 网， 实现 Z i g B e e协议和 以太网协议之间的转换 ， 同时具有存储 、 转发能力 ， 将 接 收 的数据 转发 至 上位 机 ， 并 将 上位 机 指 令 通 过 Z i g B e e网络 发送 至路 由节 点 。汇 聚节 点 结 构如 图 4 所 示 。 冈 隔爆兼本质 安全型 电源 磷酸铁锂 电池 图 4汇聚节点结构 2系统 软件 设计 煤岩应力分布式监测系统软件包括嵌入式软件 和上位 机 管理 软件 2部分 。 嵌 入 式 软 件 包 括 传感 节 点 、 路 由节 点 和 汇 聚节 点程序， 实现数据实时采集和定时发送 、 电池 电量监 测 、 协议转换 等功能， 采用 的集成开发 环境为 I AR E mb e d d e d W o r k b e n c h f o r MC S ， 在 Z i g B e e协 议 栈 Z S t a c k的基 础 上 进 行 开 发 ， 开 发 语 言 为 C语 言 。 汇 聚节点 程序 流程 如 图 5所示 。 | 开 始 、 丫 l 硬 件 初 始 化l l 协 议 栈 初 始 化 l 以太 网协议转换 Z i g B e e 协议转换 Zig Be e协议 以太 网协议 I I I发 给 I 图 5汇 聚 节 点 程 序 流 程 上位机管理软件功能包括实时显示与存储传感 节点发 送 的应力 监 测 数 据 、 超 阈值 报 警 以及 历史 数 据查询。上位机通过 UD P S o c k e t 通信方式接收汇 聚节 点发 送 的数据 ， 根 据 数 据类 型分 别 进 行 数 据包 解析 ， 将数据存储 到数据库 中， 并 在上位机界 面显 示 。在 Vi s u a l S t u d i o 2 0 0 8 ． NE T 编 程 环 境 中使 用 C语 言 编程 ， 完 成上 位 机管 理 软件 的开发 ， 数 据库 采用 S QL S e r v e r 2 0 0 5 。上 位 机 管 理 软 件 流 程 如 图 6所示 。 3 系统测 试 3 ．1 试 验 结 果 采用 MTS液 压 伺 服 万 能试 验 机 作 为 应 力 源 ， 对应力传感器施加 0 ～2 0 MP a 应力， 试验机加压过 程采 用 计 算 机 编 程 控 制 ， 设 定 应 力 调 整 步 长 为 2 MP a ， 使应力递增 至最大， 每调 整 1步后设 置5 S 的停 留时 间 ， 记 录试 验 机 和 上 位 机 显 示 的 应 力 ， 见 表 1 。 由表 1 可 知 ， 上 位 机 显 示 的 应力 和试 验 机 的标 准应 力之 间误差 较 小 ， 平 均误 差为 0 ． 4 8 1 3 MP a ， 表 明系统 可 以准确 监测 煤岩 应力 的变化 。 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 图 6上位机管理软件流程 表 1 试验数据 MP a 点与汇聚节点单跳传输 。系统 上电后 ， 打开上位机 软件 界 面 ， 系 统能正 常 接收煤 岩应 力数 据 ， 如 图 7所 示 。经测试 ， 汇聚节 点 和传 感 节 点 间最 大通 信 距 离 为 5 0 m 时系 统能 正常接 收数 据 。 菜单 设曩 擐瓣蘸最 藏据处理帮助 雎辩攥式 宴时监控 戢认监潮所有节点 选择节点 电池电压／ v 2 3 7 7 09 9 9 时间 状志 5 ． o 4 ． O 2 T l 6 ． 1 2 0 5 正常 5 ． 0 4 ． 0 2 T l 6 I 2 1 0 正常 5 ． ∞ ． 0 2 l I 1 2 I 5 正常 5 ． 0 4 ． 0 2T 1 6 1 2 2 0 正常 5 ． 0 4 ， 0 2 1 1 1 2 2 5 正常 5 ． o 4 ． O 2 r 1 6 I 2 3 0 正常 5 ． o 4 ． 0 2 T 1 6 1 2 3 5 正常 5 ． 0 4 ． 0 2 T l 6 l 2 4 0 JT ． 常 5 ． 0 4 0 2 1 l 6 I 2 4 5 正常 5 - 0 4 - O 2 2 I 6 1 2 5 0 正常 s ． o 4 ． O 2 t“ 1 6 。 l 2 5 5 正常 5 ． 0 4 ． 0 2 T I 6 1 3 0 0 正常 5 。 4 ． 0 2 T I 6 1 3 0 5 正常 5 ． o 4 ． O 2 1 1 6 r l 3 1 0 正常 5 - 4 - O 2 n l 1 5 正常 5 ． o 4 ． 0 2 T l 6 l 3 2 0 正常 图 7 煤岩应力分布式监测 系统上位机界 面 4结语 介绍 了煤 岩应 力 分 布 式监 测 系 统 的传 感 节 点 、 路 由节 点 、 汇 聚节 点 和 上 位机 软 件 的 设 计 方案 。测 试 结果 表 明 ， 传感 节 点 与 汇 聚 节点 问最 大 通 信 距 离 达 5 0 IT I ， 系 统性 能稳 定 ， 可实 时 、 准 确显 示 煤岩 应 力 变 化 ， 具有操 作 方便 、 部署 灵活 、 易 于扩展 等优 点 。 参 考文献 。 2 股份 有 限公 司鲍 店煤矿北 辅运输 巷 [ 6 ] 在兖州 煤业 股份 有 限公 司鲍 店煤矿 北 辅运输 巷 道壁上的钻孔处安装应变式应力传感器 ， 传感器安 装 至 钻孔底 部 ， 周 围用 泥沙灌 注并 固定 ， 保 证传感 器 与岩层充分接触。汇聚节点接入井下环 网， 传感节 徐文全． 采动空间围岩应力监 测技术 及应 J}_f j 研究 [ D] ． 徐州 中国矿业 大学 ， 2 0 1 2 ． 宋广东 ， 刘 统玉 ， 王 昌． 基于采 动应力 监测 的深部 动力 灾害 预 测 技 术 [ J ] ．中 国矿 业 ， 2 o 1 2 ， 2 1 增 刊 1 52 O 一 5 2 2． 王桃 ， 刘 晓文 ， 乔欣 ， 等． 基于无线传感器 网络 的液压支 架压力监测 系统设 计 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 o 1 4 ， 4 0 6 7 1 O． 张 申， 丁恩杰 ， 徐钊 ， 等． 物联 网与感知矿 山专题 讲座之 三 感知矿山物联 网的特征与关键技 术[ J ] ． 工矿 自 动 化 ， 2 O 1 O ， 3 6 1 2 l 1 7 1 2 1 张 申， 赵 小虎． 论 感知 矿 山物联 网与 矿 山综合 自动化 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 O 1 2 ， 4 0 1 8 3 8 6 ． 赵 明． 矿用 采动应力 监测传 感器 的 比较 和应 用[ J ] ． 煤 矿 机 电 ， 2 0 1 2 6 9 8 1 0 1 ． E 7 ] 丁恩杰 ， 盂祥 ， 李 晓， 等． 基于无线传感器 网络 的井下 液 压支架 压 力 监 测 系 统 设 计 [ J ] ． 煤 矿 机 械 ， 2 O 1 0 ， 3 1 1 0 1 3 9 - 1 4l_ ] ] ] ] ]