基于ZigBee和DSP的矿井液压支架压力监测系统的研究.pdf

分类号 密级 U D C 编号 201221401013 河北工业大学硕士学位论文 基于基于 ZigBeeZigBee 和和 DSPDSP 的矿井液压支架压力的矿井液压支架压力 监测系统的研究监测系统的研究 论 文 作 者 李海霞 学 生 类 别 全日制 学 科 门 类 工学硕士 学 科 专 业 电气工程 指 导 教 师 刘子胥 职 称 教授 Thesis ted to Hebei University of Technology for The Master Degree of Electrical Engineering RESEARCH ON THE MONITORING SYSTEM FOR PRESSURE ON THE HYDRAULIC STANDS IN THE MINE BASED ON ZigBee AND DSP By Li Haixia Supervisor Prof. Liu Zixu December 2014 I 摘 要 综采工作面是矿井生产的核心场所，液压支架对综采工作面起重要支护作用，防止 顶板上面的岩石掉落危及人身设备安全，从而为井下采煤工作提供安全的工作空间。为 了科学管理矿井煤矿安全生产、减少顶板事故，采煤现场急需对综采工作面液压支架的 支护状况进行监测。 传统的压力监测系统存在测量精度低、工作效率不高等缺点，而较为先进的液压支 架监测系统采用的有线传输机制又有布线复杂等问题， 因此本文结合综采工作面的实际 环境，将现有发展比较完善的无线传感器网络技术应用于井下液压支架压力监测系统 中，以期改善现阶段井下监测系统有线传输存在的问题。 首先分析了几种无线通讯技术，结合综采工作面的特殊环境，选择了适用于液压支 架压力监测的 ZigBee 技术。然后根据井下无线传输的特点，确定了基于无线传感器网 络的矿压监测系统网络拓扑结构，并对系统进行了整体设计。 本文所研究的监测系统以液压支架压力作为监测对象，由终端采集节点、路由节点 和中心分站（Sink 节点）三部分组成。以降低开采面事故为出发点，并在设计上实现优 化降低监测系统功耗， 本文在硬件上进行了优化设计， 在软件上实行了降低功耗的策略。 终端采集节点安装在每个液压支架上，用来监测支架压力，路由节点负责将收到的数据 通过多跳的方式传给 Sink 节点，Sink 节点将收到的压力数据在液晶屏上进行显示，同 时通过 RS485 传给上位机。 对节点间的通信及终端节点的监测可靠性和功耗进行了测试， 试验表明本系统具有 运行稳定、体积小、低成本、测量精度高等特点。监测可靠性降低了开采面事故发生， 提高了人身设备安全；降低功耗提高了系统运行的稳定性和使用寿命。 关键字液压支架 无线传感器网络 网络拓扑结构 CC2530 功耗 II ABSTRACT Mechanized mining face is the core sites of coalmine. Hydraulic stands play an important role in supporting mechanized mining face, which can prevent the rocks above the roof falling down upon person and equipment. In order to scientifically manage mine production safely, reduce the roof falling accident, it is necessary to monitor the condition of hydraulic stands of all mechanized mining face. It has a low measuring accuracy, low working efficiency and so on in that traditional pressure monitor system, while it adopts the wired transmission mechanism and it is complicated to wiring in the more advanced hydraulic stands monitor system. Therefore this article applied the advanced wireless sensor networking technology to hydraulic stands pressure monitor system according to the actual running environment of mechanized mining face, to solve the existed problem in the monitoring system of wired transmission. Firstly, according to the actual running situation of mechanized mining face, several kinds of wireless communication technology was analyzed, the technology of ZigBee was chosen to monitoring the pressure of hydraulic stands. Considering the characteristics of the underground wireless transmission, network topology of the mine pressure monitoring system using wireless sensor network WSN was carried out, the whole system design was completed as well. The monitoring system takes the pressure of hydraulic stands as the monitoring object, it is composed of the terminal acquisition nodes, routing node and center substation Sink node. In order to reduce the mining accident, optimizing and reducing the power consumption of the monitoring system in design, the hardware was designed optimally and the tactics of reducing power consumption was adopted in the software. The terminal acquisition nodes were installed on each of the hydraulic stand to monitor the pressure, routing nodes receive and transmit data to Sink node in multiple hops way, then the data in Sink node is displayed on the screen, it was transferred to PC through the RS485. The communication between the nodes and power consumption of the terminal node was tested. The result indicates that this system runs stably ,in low cost, as well with a high measurement precision, etc. The reliability of the monitoring reduces the mining accidents, improving the safety of the personal and equipment, enhancing the stability of the system in designing and the system’s service life. KEYWORDS hydraulic stands, wireless sensor network, network topology, CC2530, power consumption III 目 录 第一章 绪论.............................................................................................................................- 1 - 1.1 课题研究的背景及其意义..................................................................................................- 1 - 1.2 国内外研究现状及其发展方向..........................................................................................- 2 - 1.2.1 国内研究现状...........................................................................................................- 2 - 1.2.2 国外研究现状...........................................................................................................- 3 - 1.2.3 矿压监测的发展方向...............................................................................................- 3 - 1.3 论文主要研究内容..............................................................................................................- 4 - 1.4 本章小结..............................................................................................................................- 4 - 第二章 液压支架监测系统模型的建立.................................................................................- 5 - 2.1 矿井压力特性......................................................................................................................- 5 - 2.2 ZigBee 技术与无线通讯技术..............................................................................................- 5 - 2.2.1 矿井无线传输特点...................................................................................................- 5 - 2.2.2 几种常用无线通信技术的比较...............................................................................- 6 - 2.2.3 ZigBee 网络设备.......................................................................................................- 8 - 2.2.4 ZigBee 网络拓扑结构...............................................................................................- 9 - 2.3 液压支架监测系统组网模型............................................................................................- 11 - 2.4 本章小结............................................................................................................................- 12 - 第三章 液压支架压力监测系统的硬件设计.......................................................................- 13 - 3.1 整体结构设计....................................................................................................................- 13 - 3.2 终端采集节点的硬件实现................................................................................................- 15 - 3.2.1 终端采集节点结构.................................................................................................- 15 - 3.2.2 无线通讯模块.........................................................................................................- 15 - 3.2.3 传感器的选择.........................................................................................................- 19 - 3.2.4 信号调理电路的选择.............................................................................................- 22 - 3.2.5 电源模块的设计.....................................................................................................- 23 - 3.2.6 电池的选择.............................................................................................................- 25 - 3.2.7 天线的选择.............................................................................................................- 26 - 3.3 路由节点的硬件实现........................................................................................................- 27 - 3.4 Sink 节点的硬件实现.........................................................................................................- 28 - 3.4.1 Sink 节点的结构框图..............................................................................................- 29 - IV 3.4.2 DSP 芯片 TMS320F2812........................................................................................- 29 - 3.4.3 DSP 电源及复位电路..............................................................................................- 30 - 3.4.4 液晶显示电路.........................................................................................................- 32 - 3.4.5 报警电路.................................................................................................................- 33 - 3.4.6 串口通讯接口电路.................................................................................................- 34 - 3.5 本章小结............................................................................................................................- 34 - 第四章 液压支架监测系统的软件设计...............................................................................- 35 - 4.1 节点功耗控制策略............................................................................................................- 35 - 4.1.1 终端节点定时唤醒周期控制.................................................................................- 35 - 4.1.2 改进的分簇路由算法.............................................................................................- 36 - 4.2 开发环境............................................................................................................................- 38 - 4.3 终端采集节点软件设计....................................................................................................- 39 - 4.4 路由节点软件设计............................................................................................................- 41 - 4.5 Sink 节点软件设计.............................................................................................................- 42 - 4.6 本章小结............................................................................................................................- 45 - 第五章 实验与测试...............................................................................................................- 47 - 5.1 组网通讯测试....................................................................................................................- 47 - 5.2 功耗测试............................................................................................................................- 49 - 5.3 本章小结............................................................................................................................- 52 - 第六章 总结与展望...............................................................................................................- 53 - 参考文献...................................................................................................................................- 55 - 致 谢...................................................................................................................................- 57 - 河北工业大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪论 我国人口众多，煤炭生产和消费居世界之首，煤炭不仅对我国经济的发展有影响， 而且对社会的稳定也起到了重要的作用。 煤炭作为我国主要能源， 未来很长一段时间内， 在能源消费中所占的主导地位不会发生大的改变[1]。伴随着煤炭需求的不断加大，煤炭 的开采也面临着诸多问题， 由于各种复杂情况导致的煤矿顶板事故、 瓦斯事故时有发生， 严重危害国家和人民的生命财产[2]。支撑工作面顶板的液压支架是综采工作面的重要设 备，它的可靠支撑与否关乎煤矿生产安全状况。针对现有的井下有线监测系统存在布线 复杂以及数据传输可靠性不高等问题， 本课题对矿井液压支架压力监测系统进行开发研 究，目的是通过监测液压支架压力来分析判断综采工作面顶板是否稳定，从而减少顶板 事故，保障煤矿安全生产和人身设备安全。 1.1 课题研究的背景及其意义 由于我国特殊地质地貌，煤矿分布情况比较复杂，导致煤矿开采时带来众多问题， 比如坍塌、瓦斯爆炸等。为了更好地保护国家财产和生命安全，相关部门就煤矿安全方 面提出了很多政策和措施，近年来取得了很大成效，但煤矿安全事故仍时有发生，严重 制约着我国煤矿的生产。在煤矿安全事故中，煤矿顶板事故发生迅猛、危害非常严重， 给国家和人民生命财产带来了巨大的伤害[3]。为了有效的预防煤矿顶板事故发生，我们 必须采取应对的措施。 采煤工作面是矿井生产的核心场所， 其技术水平关乎矿井的技术面貌、 产量和效率， 是煤矿高效、安全生产的关键。巷道围岩变形、破坏的主要表现形式是顶板离层，当这 种表现形式达到一定程度， 顶板处于不稳定状态， 需要进行支护， 否则会产生坍塌事故。 而液压支架对顶板起重要的支护作用，防止顶板上的岩石突破承受的压力而掉落，造成 设备损害和人员伤亡， 因此对综采工作面液压支架的支护状况进行监测具有十分重要的 作用。通过对液压支架压力的监测，可以及时反映工作面的顶板是否处于稳定状态，是 否需要采取必要的处理措施， 同时通过监测得到的大量压力数据对综采工作面的活动规 律进行判断，为以后的采煤工作提供宝贵的经验[4]。因此采煤现场急需对综采工作面的 液压支护进行监测。 我国传统的矿压监测大多采用机械式液压测量仪， 这类仪表主要靠指针在记录纸上 进行移动来记录数据，其精度低、可靠性不高，同时需要人为处理记录纸上的数据，极 基于 ZigBee 和 DSP 的矿井液压支架压力监测系统的研究 - 2 - 大降低了工作效率[5]。现有的比较先进的液压支架监测系统大多以工业总线为基础，采 用有线通讯方式进行通信，最后上传至上位机，通过上位机对所采集的数据进行分析、 处理、打印报表等，虽然这种系统的可靠性增加、处理速度加快、信息存储量增加，但 各类设备间的电缆连接比较复杂，随着采煤工作面的移动容易被扯断、折断，且井下空 间有限，给维护带来困难，在进行出口作业时需要反复进行电缆的拆除和连接，这样会 造成矿压信息无法连续监测，对煤矿安全生产产生很大的影响[6]。因而，为了提高煤矿 安全生产效率，减少顶板事故发生，针对有线监测系统存在的不足，将无线通讯方式引 入煤矿压力监测中具有十分重要的作用和应用价值。 1.2 国内外研究现状及其发展方向 20世纪30年代左右，矿压监测技术开始萌芽，最早成型的矿压监测器件是比较简单 的机械或机电装置，当时主要通过监测煤岩中的微震信号来预防顶板事故，受当时环境 和技术的限制，对这个监测系统的研究有限。 1.2.1 国内研究现状国内研究现状 伴随着我国经济的发展和科技的进步，近年来，煤矿安全生产越来越引起国家的重 视，我国矿压监测系统的技术水平也得到了显著地提高。针对我国矿压监测系统的发展 水平，将其发展整体上划分为三个阶段[7] 第一阶段大致为50-70年代。建国初期，国民经济需要恢复发展，对煤矿的需求 量增加， 故而采矿业需要大力发展， 从根本上带动了我国采矿技术。 为了煤矿安全生产， 避免巷道塌陷事故的发生，对一般煤层巷道围岩应力变形进行了研究，但当时技术还很 落后，矿压监测仪器都是以机械装置为主，但此设备功能简单、精度不高，数据也需要 人为记录和处理。 第二阶段 大致在80年代到90年代末。 80年代以来， 我国的电子技术得到迅猛发展， 国外的高超技术渐渐流入我国， 微电子技术在相关领域和矿压检测仪器发展中得到广泛 的应用。此阶段矿压监测技术得到迅猛发展，仪器种类逐渐增多，并且逐渐将传感器和 单片机结合起来，监测系统逐步跨入自动化阶段，这将很大程度上提高了矿压监测的效 率、测量精度和灵敏度。 第三阶段90年代末至今。随着TI和IC产业的不断发展，矿压监测技术进入一个全 新的时代，监测仪器的性能得到很大提高，如测量精度、灵敏度。此阶段的传感器与处 理器的性能都很高，将二者结合起来组成具有更高的测量精度、灵敏度以及传输可靠性 的监测仪，逐步提高煤矿安全监测技术。 目前我国较为先进的矿压监测技术采用有线通讯方式， 各设备之间采用电缆进行连 河北工业大学硕士学位论文 - 3 - 接，虽然其传输速度比较快，数据传输可靠性高，但仍存在一些缺陷 （1）煤矿开采时使用设备较多，但井下空间有限，布线比较困难，同时有线传输 信号的环境适应性很差。 （2）监测设备需要随着采煤工作面的移动而移动，设备间的电缆容易折断，导致 无法正常的信号传递，严重时甚至导致系统瘫痪。 （3）有线传输时需要长线驱动器和安全栅，成本升高。 （4）有线传输井下维护困难，维修时需要花费较多的人力物力。 1.2.2 国外研究现状国外研究现状 英德法等国对液压支架压力监测系统的研究起步较早。20世纪70年代，英国研制成 功了利用磁带机连续记录工作面支架压力参数的MRD无纸记录仪系统， 它通过计算机对 这些数据信息进行综合分析； 法国推出的CCT63/40矿井综合监测系统， 该系统曾在世界 采矿业中使用比较广泛；该系统出现后，荷兰很快引进该系统，经过自己的开发研究， 很快在该系统基础上研发了CMM-20矿井监测系统。随着经济的发展和科技的进步，80 年代初，德国对矿压监测系统进行了进一步研究，研制出TF-200频分多路传输系统，后 来我国引进该系统，并进行了大量生产。到了90年代，矿压监测系统又上升了一个新的 台阶，德国DBT集团公司研制了M4电液控制系统，该设备在世界发达采煤国家得到了 很大的认可[8]。 1.2.3 矿压监测的发展方向矿压监测的发展方向 随着世界经济和科技的发展， 井下采煤设备不断改进， 为了实现现代煤矿安全生产、 保护人民生命安全，矿压监控系统将日趋标准化、网络化、智能化。 （l）标准化 各矿井能否更多的增加监测系统的功能，与信息通讯系统的兼容性有直接关系。为 了实现煤矿监控系统的互通，标准化矿压监控系统和信息传输协议等，国家制定了许多 规范和准则[9]。 （2）网络化 随着科技的发展，工业监控系统的监控级和现场设备都采用了以太网技术，嵌入式 的网络协议转换器实现了现场总线和工业以太网两种协议转换。 工业上将以太网与煤矿 总线有机结合后应用于煤矿安全实时监控，实现了各种信息融合和系统资源信息的共 享，有利于整个煤矿的监控和管理[10]。 （3）智能化 生产装置异常监控系统将引入专家系统和网络技术，实现远程异常判断。根据煤矿 基于 ZigBee 和 DSP 的矿井液压支架压力监测系统的研究 - 4 - 方面的专家和从事煤矿工作多年的熟练技术人员的经验建立煤矿安全资源库， 专家通过 实时监控系统采集的信息进行综合推理和判断，准确确定故障点并告知安全工作者，实 现煤矿安全管理[11]。 1.3 论文主要研究内容 根据我国矿压安全监测的需求，结合“开滦（集团）有限责任公司煤矿安全生产重 大技术升级攻关项目”， 利用无线通讯和DSP技术， 研究设计了一套适用于矿井环境的液 压支架压力监测系统，主要是为了通过对液压支架压力的监测，有效降低开采工作面顶 板事故发生，提高人身设备安全。 本课题的主要内容包括以下几个方面 （1）结合开滦集团下属煤矿的实际情况，对矿井液压支架压力监测系统进行研究， 确定了基于 ZigBee 和 DSP 的液压支架压力监测系统的网络拓扑结构和整体设计方案。 （2）矿井液压支架压力监测系统包括终端节点、路由节点及 Sink 节点三部分，首 先研究分析了核心的无线通讯芯片 CC2530 的功能和特点，对监测系统三部分进行了研 究设计，包括器件的选型、硬件电路的优化设计，然后根据硬件电路图搭建电路。 （3）对传统的路由算法进行研究改进，并进行仿真，然后绘制监测系统软件流程 图并进行程序的编写。 （4）对已搭建好的硬件电路进行程序的烧录、试验测试，记录数据，不断改进， 逐步完善监测系统。 1.4 本章小结 本章针对现代煤炭发展状况以及开采中遇到的问题， 着重介绍了研究液压支架压力 无线监测的重要性。液压支架作为综采工作面重要组成部分，其能否可靠而有效地支撑 工作面的顶板对煤矿安全生产有着至关重要作用，因此本章中首先对其研究背景、意义 及其国内外发展状况进行了介绍，为液压支架压力监测系统的研究设计奠定了基础；然 后对研究方向及主要内容进行了说明。 河北工业大学硕士学位论文 - 5 - 第二章 液压支架监测系统模型的建立 本课题将无线传感器网络应用于液压支架压力监测上， 实现对液压支架压力实时监 测，减少顶板事故发生，保障煤矿安全生产和人身设备安全。 2.1 矿井压力特性 煤矿顶板最上面为老顶，老顶下面为直接顶，再往下即为煤层。对矿井顶板压力有 明显影响的老顶无需液压支架全部支撑，不能向煤壁前方永久传递力的直接顶则需要， 液压支架在矿井巷道中的排列呈直线状，如图2.1所示。 图 2.1 矿井下的液压支架 Fig.2.1 The hydraulic stands under the mine 2.2 ZigBee 技术与无线通讯技术 2.2.1 矿井无线传输特点矿井无线传输特点 液压支架工作环境比较复杂，通信频率、巷道的倾斜程度和井下的导体等多种因素 都会影响无线通讯信号。 因此在设计矿井液压支架压力监测系统时必须要考虑到井下的 特殊环境，考虑数据传输可靠性。 基于 ZigBee 和 DSP 的矿井液压支架压力监测系统的研究 - 6 - （1）通信频率对无线信号影响 在矿井中不考虑金属导体情况下，无线信号传输情况与通信频率有关。无线信号在 中频段衰减较小，传输距离高达几百米，频率越大信号衰减越大，传输距离越短，仅为 几十米。频率较高时，因波长远远小于巷道截面长度，信号衰减变小，传输距离可达几 千米。 （2）导体对井下无线信号的影响 由于纵向导体具有导波