露天煤矿边坡应力无线远程监控系统.pdf

致 谢 致 谢 回首研究生期间的学习生活，我要感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋 友。首先要衷心感谢指导我毕业设计的导师杨顺副教授。杨顺老师对学术的深刻了 解，指导学生的认真态度都给我留下了深刻的印象。除了学业之外，老师的工作作 风，严谨的科研精神，渊博的科学知识，正直的人格，让我终生难忘。 其次要感谢孙劲光院长，任晓奎副教授，陶志勇副教授。你们在论文研究过程 中对我的谆谆教导，包容与鼓励，使我在学习过程中知难而进，最终取得学业上的 进步和成功。 本论文的完成也离不开同学和朋友的帮助，是你们在我最艰难的时候给予 我支持与帮助。特别是庞丹同学，梁朝忠同学，陈松同学，顾清山同学，章毅 同学，张荣泉同学，王丽娟同学在我论文的研究与撰写过程中提供的数据与建 议，愿友谊长存。 同时也要感谢平庄西露天煤矿薛英东总工程师提供的边坡监测数据和研究场 地，没有您的帮助，我的论文研究就不能如此完善。 最后，感谢养育我多年的父母，你们的鞭策、鼓励、理解和帮助是我克服困难、 不断进步的精神支柱。 感谢各位专家百忙之中对论文的审阅和提出宝贵的意见 摘 要 摘 要 露天煤矿边坡应力监测是露天煤矿安全生产的重要保障部分。本设计的目的在 于设计并实现一套露天煤矿边坡应力无线远程监控系统。本设计通过对现有边坡监 测技术的分析，选用锚索测力计监测露天煤矿边坡应力；同时提出了基于 GSM 网 络短信服务为核心技术的远程传输方案； 以微处理器 AT89S52 为主控芯片设计了分 节点应力监测电路，完成了现场数据的采集、监测与传输；在制定通信协议的基础 上，通过 MC35i 短信模块的应用完成数据的远程传送；通过中心监测计算机管理软 件的设计实现分节点的手动查询与自动查询，数据库列表显示和图形曲线的显示。 经调试后的硬件电路和软件程序实现了边坡应力的远程采集、传输和管理。经过 8 个月的现场运行，验证了本设计是一套可靠有效的露天煤矿边坡应力无线远程监控 系统。 关键词露天煤矿；边坡应力；边坡监测技术；数据采集；远程监控 Abstract Abstract The slope stress monitoring of the opencast mine is important to safe production in opencast coal mine. The purpose of the thesis is to design and implement a set of slope stress monitoring with wireless remote monitoring technology. According to the analysis of technology of the slope stress monitoring, it selects anchor dynamometer to monitor slope data; It raises the remote transfer program based on short message service of GSM network as the core technology; It chooses microprocessor AT89S52 as the main control chip in order to design the sub-node stress monitoring circuit, which completes the field data acquisition, monitoring and transmission; Based on ulating the data communication protocol, it accomplishes remote transmission of data through the application of MC35i SMS; it achieves the sub-node manual and automatic inquiry, the list display of database and graphic curve display via the designing of management software of the central monitoring computer. The circuit of hardware and software procedure after debugging comply the remote acquisition, transmission and management. The layout has been verified as a reliable and effective set of opencast-coal-mine slope stress monitoring system with wireless remote monitoring technology through eight-month field operation. Key WordsOpencast coal mine; Slope stress; Technology of slope monitoring; Data acquisition; Remote monitoring 目 录 目 录 摘 要 Abstract 引 言 .......................................................................................................... 1 1.1 露天煤矿边坡稳定性监控系统研究的意义与现状 ............................1 1.1.1 露天煤矿边坡稳定性监控系统研究的意义 .................................. 1 1.1.2 露天煤矿边坡稳定性监控研究的现状 ......................................... 1 1.1.3 露天煤矿边坡稳定性监控存在的问题 ......................................... 2 1.2 课题背景及所要完成的工作..............................................................3 2 系统的总体分析.......................................................................................... 4 2.1 露天煤矿边坡应力无线远程监控系统设计 .......................................4 2.2 无线通信网络的选择.........................................................................5 2.3 GSM 通信系统的组成及特点 ............................................................9 2.3.1 GSM 主要特点 ........................................................................... 10 2.3.2 基于 GSM 网络的 SMS 系统 ...................................................... 10 2.4 本章小结..........................................................................................12 3 分节点应力采集与应力数据传输控制设计............................................... 13 3.1 分节点应力采集与传输的硬件设计 ................................................13 3.1.1 微控制器模块............................................................................. 14 3.1.2 变压、整流、前置选通电路设计............................................... 16 3.1.3 前置放大电路设计 ..................................................................... 20 3.1.4 后置选通电路设计 ..................................................................... 21 3.1.5 滤波、二级放大电路设计 .......................................................... 23 3.1.6 电源部分设计............................................................................. 26 3.2 振弦式荷载传感器测频关键技术 ....................................................27 3.2.1 振弦式荷载传感器测量精度的研究 ........................................... 27 3.2.2 振弦式荷载传感器频率测量方法的研究.................................... 32 3.3 分节点应力采集与传输的软件设计 ................................................34 3.3.1 短消息处理程序流程图.............................................................. 35 3.3.2 计频程序流程图 ......................................................................... 36 3.3.3 Q 模式处理程序流程图 .............................................................. 37 3.4 本章小结..........................................................................................38 4 通信协议设计与 AT 指令介绍 .................................................................. 39 4.1 通信协议设计 ..................................................................................39 4.1.1 节点定义 .................................................................................... 39 4.1.2 通信方式 .................................................................................... 39 4.1.3 分节点的中心号码设置.............................................................. 42 4.2 MC35i 短信模块 ..............................................................................42 4.2.1 GSM 模块的主要技术指标......................................................... 43 4.2.2 数据接口 .................................................................................... 43 4.3 AT 指令介绍....................................................................................43 4.3.1 AT 指令的概念........................................................................... 43 4.3.2 AT 指令的格式........................................................................... 44 4.3.3 短消息命令................................................................................. 44 4.4 本章小结..........................................................................................47 5 中心节点监控软件设计 ............................................................................ 48 5.1 系统数据库设计 ..............................................................................50 5.2 中心监测系统的软件与功能介绍 ....................................................51 5.3 VC 内存绘图....................................................................................53 5.4 本章小结..........................................................................................55 6 系统测试................................................................................................... 56 6.1 分节点数据采集传输电路板的性能指标 .........................................56 6.2 振弦式荷载传感器脉冲信号采集实验.............................................57 6.3 测周法计频实验 ..............................................................................59 6.4 硬件数据采集实验...........................................................................60 6.5 电源电压对系统工作的影响实验 ....................................................61 6.6 系统总体工作实验...........................................................................63 6.7 本章小结..........................................................................................66 结 论 ........................................................................................................ 67 参 考 文 献................................................................................................... 68 附录 A 分节点电路板 PCB 图...................................................................... 70 附录 B JXL-3 型振弦式荷载传感器介绍 ..................................................... 71 作 者 简 历................................................................................................... 72 学位论文数据集.............................................................................................. 74 - 1 - 引 言 引 言 1.1 露天煤矿边坡稳定性监控系统研究的意义与现状 1.1.1 露天煤矿边坡稳定性监控系统研究的意义 边坡变形失稳是露天矿存在的主要的安全问题。边坡变形始终伴随着整个开采 过程，随着露天矿的不断延深，矿坑不断加深加陡，边坡安全的问题将更为突出， 露天煤矿边坡变形及滑坡对安全生产的影响将会造成局部或全矿停产、人员伤亡、 设备毁坏和地面建筑破坏等。 目前我国绝大多数老露天煤矿都已进入深部开采，形成高大边坡，由于复杂的 地质条件和历史原因，多数边坡下的煤被井工开采，使边坡出现变形失稳，产生滑 坡。随着矿坑不断延深，边坡不断加深加陡，暴露的时间越长，产生变形和滑坡的 可能性就越大，灾害越严重。我国 70 年代后兴建的特大型露天煤矿大多在西北黄 土高原地区，其排土场多为黄土基底，排土场形成过程中改变了原有的工程地质、 水文地质条件，在排弃物料的重压下，基底黄土出现弱化现象，强度降低，出现突 发、高速滑坡，易造成极大危害。以平庄西露天矿为例，采场生产历史上共发生的 有记载的滑坡 66 次，滑坡经常造成列车脱轨，铁路线悬空，架线及高压线被拉断 或掩埋，电铲、钻机等设备被砸，运输系统被迫中断运行，打扰了正常生产秩序， 严重威胁到矿山的安全生产；同时，也造成巨大的经济损失。例如，在有记载的较 大滑坡中，工作帮的第 32 次大滑坡，滑落体积 997 万立方米，滑落物体掩埋了剥 离台阶，下部台阶水平推进受阻，影响出煤 20.57 万吨，直接经济损失 1076.31 万 元[1]。 1.1.2 露天煤矿边坡稳定性监控研究的现状 边坡稳态监测是保障露天煤矿安全生产的决定性工作，且该项工作在各大露天 煤矿已经进行多年，在保障安全生产方面发挥了积极作用，但受监测方法，技术条 - 2 - 件，自然因素等限制，仍存在不能满足安全生产需要的欠缺。以往进行的监测主要 有以下三方面 1 地面位移观测露天煤矿对工作帮和非工作帮进行地表位移观测，采用 全站仪进行人工观测， 在需要观测的边坡岩体表面设置观测点， 进行定期观测位移， 同时人工观察地表有无裂缝的发生和发展[2]； 2 钻孔测斜仪观测露天煤矿在采场的重要边坡放置多个用于进行边坡岩 体内部位移观测的观测孔， 有专门人员定期到现场采用钻孔测斜仪观测岩体内部位 移[3]； 3 锚索测力计观测在进行锚索加固的边坡岩体上安装锚索测力计，定期 或不定期进行人工测读锚索预应力变化数据。 锚索测力计观测一直以来是对锚索加 固效果进行评价的一种手段，在平庄西露天矿边坡锚索预应力观测的实践中发现， 锚索预应力的变化能够有效反映边坡岩体的稳定状态。 其中对 2004 年 10 月安装的 04-3 号测力计的观测，测力计的初始预应力为 724kN，到 2005 年 7 月 12 日其应力 为 1029kN，2005 年 8 月 10 日达到 1114kN，高出初始应力 390kN。在预应力值持 续增长的过程中，该锚索加固边坡的岩体上部地表相继出现延伸与加宽的裂缝[4]。 1.1.3 露天煤矿边坡稳定性监控存在的问题 通过对露天煤矿多年的边坡稳态监测实践，反映出采用的监测方法存在如下需 要解决的问题 1 无论是地表位移观测还是岩体内部的位移观测，均存在着有害变形滞后 于岩体滑坡的问题。当发现地表裂缝或岩体内部出现较大变形时，边坡岩体已经或 正在发生滑动破坏。此外利用钻孔测斜观测岩体内部变形的实践表明，当内部变形 较小时，受精度的限制不能准确获得位移量，当位移较大时，钻孔错位严重使测斜 仪器到达观测孔内部受阻而无法测量。因此，无论是地表还是岩体内部的位移观测 均不具有实时性[5]； 2 使用的锚索测力计数据的获得需要人工到现场测读数据，受天气，人为 等因素的影响大，不能连续稳定获得测试数据，监测现场路途较远且有些地段人员 - 3 - 到达困难，尤其是阴雨天容易产生滑坡灾害的时段更不易获得监测数据。此外对于 有滑坡危险的较陡边坡经常有石块等从坡上滚落，人工现场测读数据将存在较大危 险。 通过对露天煤矿边坡稳定性监控存在的问题的研究，发现锚索测力计观测的数 据较为准确，针对锚索测力计观测的缺点，本文将锚索测力技术和无线远程监控技 术结合在一起，设计了露天煤矿边坡应力无线远程监控系统。 1.2 课题背景及所要完成的工作 此课题为平庄西露天煤矿边坡应力远程监控系统项目的横向课题。本文旨在通 过 GSM 网络把分节点测量的应力值以短信的形式发送给中心监测节点，中心监测 节点对应力值采用图形图像的形式进行多媒体显示。本设计的研究重点为振弦式荷 载传感器测量时机的选择，所以设计了下位机测频电路和精确测频的下位机软件程 序。在此项目设计中本人参与了下位机硬件的设计，独立完成下位机软件设计，各 个模块的调试工作，以及性能的分析。在设计中，本人所完成的工作如下 1 硬件平台的搭建包括单电源同相比例放大器的搭建以及其特性分析 （重点是频率特性分析），滤波电路的搭建以及其理论分析，电路板制作； 2 短信模块的应用包括 AT 指令的学习，以及单片机如何安全可靠的 控制短信模块； 3 硬件单元的性能分析与调试变压器模块，做了频率特性和电压特性研 究实验，得出无失真的频率值；短信模块的电压分析，在这里做了电压特性分 析，得出短信模块正常工作的门限电压；振弦式荷载传感器测量时机的研究， 应用存储式电子示波器，此示波器具有记忆功能，这里得出了最佳测量时间； 4 绘出了下位机的程序流程图，以及编写了相应的软件程序； 5 搭建 PC 机上应用层多媒体显示程序此程序应用了 ADO 技术，是在 VC 环境下开发的，应用 SQL SERVER 2000 连接数据库。本人设计了下位机手 动查询界面，数据列表显示界面以及图形图像显示界面。 - 4 - 2 系统的总体分析 2 系统的总体分析 2.1 露天煤矿边坡应力无线远程监控系统设计 露天煤矿边坡应力无线远程监控系统采用分布式节点轮询的控制结构，各分节 点通过振弦式荷载传感器采集数据，将数据通过 GSM 网络以短信的形式传输到中 心监控软件。中心监控软件通过轮流查询的方式定时或手动监测分节点数据和曲线 变化，此系统的结构设计图如图 2.1 所示。 2.1 监测系统结构设计图 Fig.2.1 The struct-design chart of monitoring system 以节点 1 为例，系统的工作流程中心监控软件定时或手动查询分节点 1，分 节点 1 采集振弦式荷载传感器的数据，以短信的形式通过 GSM 网络传送到中心监 控系统，中心监控系统监测数据和曲线，进行滑坡预警[6]。 1 分节点（分节点应力采集与传输控制）设计此部分包括下位机硬件的设计 和软件的设计，主要完成振弦式荷载传感器频率值的采集，以及把频率值以短信的 形式发送给中心监控软件，中心监控软件将频率值转换为应力值进行存储与显示， 此部分会在第三章详细介绍。 2 通信协议设计与 AT 指令介绍此部分主要介绍系统的通信协议以及 AT 指 令的使用介绍，这部分会在第四章详细阐述。 3 中心监控软件设计此部分工作在 PC 机的应用层，应用 VC6.0 开发上位 机软件，主要完成如下功能 - 5 - a MC35i 短信模块的控制包括 VC 使用 AT 指令控制 MC35i 收发短信，以及 短信模块参数的设置； b 数据库的存储与读取使用 ADO 对象连接 SQL SERVER 2000 数据库，以 及用 SELECT 语句选择性的读取数据库； c 图形图像的描绘与显示采用内存画图，防止图片闪烁。 中心监控软件部分将在第五章详细介绍。 2.2 无线通信网络的选择 露天煤矿边坡监测地点多数都没有电缆，光缆，电话线等，所以露天煤矿的通 信方式就要选用无线通信的方法。无线通信的设计相对于监测站而言比较简单，有 许多现有的产品和通信系统可以利用，重点只是在于从多种实现方式中作出最优的 选择。 常用的实现方式有利用现有的通信网络（GSM/GPRS，CDMA 移动网等）和 相应的无线通信产品；通过无线收发设备，比如无线 MODEM，无线网桥等直接建 立专门的无线局域网；利用收发集成芯片在监测站实现电路板级与监控中心的无线 通信。 1 利用现有通信网络实现监测站与监控中心的无线通信[7] 现有的通信网络较多，按业务建网是 3G 以前通信网络的特点，无线网络也不 例外。 设计无线远程监控系统可以借用的无线网络主要有 GSM-SMS、 GPRS、 CDMA 1x、CDPD。 GSM（Global System for Mobile）是全球最主要 2G 标准，能够在低服务成本， 低终端成本条件下提供较高的通信质量，就其业务而言，GSM 是一个能够提供多种 业务的移动 ISDNIntegrated Services Digital Network，综合业务数字网络。 GPRSGeneral Packet Radio Service在现有的 GSM 网络基础上增加一些硬件设 备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础,采用 IP 数 据网络协议，提高了现有 GSM 网的数据业务传输速率，最高可达 170 kbit/s。GPRS 把分组交换技术引入到现有 GSM 系统，使得移动通信和数据网络合二为一，具有 “极速传送”、“永远在线”、“价格实惠”等特点。 - 6 - CDMACode Division Multiple Access网络采用扩展频谱技术， 使用多种分集接 收方式，使其具有容量大，通信质量好，保密性高，抗干扰能力强等特点。 CDPDCellular Digital Packet Data无线移动数据通信基于数字分组数据通信技 术，以蜂窝移动通信为组网形式，是数据通信与移动通信的结合物。这种通信方式 基于 TCP/IP，系统结构为开放式，提供同层网络的无缝连接和多协议网络服务。 CDPD 网络具有速度快、数据安全性高等特点，可与公用有线数据网络互联互通， 非常适合传输实时、突发性的在线数据。 为使监控中心与监测站间的无线通信能利用现有的网络，对于特定的无线网需 用相应的接入设备。这类设备市面上有现成的产品可供选择。接入 GSM 网络的通 信模块有西门子的 SIEMENS TC35i，接入 GPRS 可用西门子的 MC35i GPRS 模块， 接入 CDMA 网络的有华立 H110 CDMA 模块和 AnyDATA 公司的 CDMA Modem （DTS-800/1800），遵循 CDPD 方式的无线 Modem 有 OmniSky 和 NovatelMinstrel。 利用现有的网络组建无线远程监控系统，网络连接如图 2.2 所示，其中无线接 入模块产品一般都提供 RS232 作为对外通信接口，有些天线是内置的。利用现有网 络的覆盖面广和可漫游等特点，使监测站和控制中心的位置不受距离的限制，但利 用公网，安全性会有所降低。 图 2.2 利用现有的无线网络组建无线远程监控系统 Fig.2.2 Building a set of wireless remote monitoring system using existing wireless network 2 通过专用无线收发设备建立无线局域网[7] - 7 - 这种设计实现方式的结构简单，且无需向网络运营商付费，利用专网，安 全性高。无线传输以微波作为传输媒体，根据调制方式的不同，可分为扩展频 谱方式和窄带调制方式两种。扩展频谱方式系统抗干扰能力和安全性高，对其 它电子设备的干扰小；窄带调制方式占用的频带少，频带的利用率高，通常选 择专用频段，需要申请；相邻频道间影响大，通信质量，通信的可靠性无法保 障。 采用专用的无线收发设备建立的无线局域网拓扑结构如图 2.3 所示，无线 收发设备包括无线 modem 和无线网桥等。无线的 modem 与监测站和控制中心 之间采用 RS232 通信。若采用网桥为网络组建设备，网络的拓扑结构将更为灵 活，如图 2.4 所示，其中在无线网两端的有线网络是可取舍的，可以是以太网、 令牌环网或点对点网络等本地局域网，也可以是城域网，甚至是因特网，但使 用公网时需考虑安全性和费用问题。 图 2.3 利用无线 modem 建立无线局域网的网络拓扑结构 Fig.2.3 Building a wireless LAN-network topology using wireless modem 图 2.4 利用无线网桥的网络拓扑图 Fig.2.4 The network-topology diagram using wireless bridge 3 利用收发集成芯片在监测站端实现电路板级与监控中心的无线通信 - 8 - 前两种组网方式的一个特点是采用现有的网络系统和产品，无线通信的部 分不需专门开发，实现较为容易。但由于所购买的产品均是独立器件，使得整 个系统特别是监测站一端的结构复杂，体积庞大，往往在系统推广时会带来不 利，且外购产品会增加系统的成本。 若能将外购产品功能与监测站集成在一起， 在电路板级实现，将可以避免上述不利因素，但这会增加系统开发的难度，延 长研制周期。因此，需权衡利弊，根据项目组的开发实力和系统生命周期作最 有利的选择。 采用此方法设计的监测站需要的硬件实时框图以及与处理器、存储器的关系大 致如图 2.5 所示。各个子模块都有多种芯片可供选择，比如射频前端可用 ML2751 和 TRF6900， 实现调制/解调的有 ML2722， 扩频/解扩可用 LD9002DX2 和 Stel-2000A 等[8]。 图 2.5 利用收发集成芯片实现无线通信模块 Fig.2.5 Achieving wireless communication module using an integrated transceiver chip 由于本设计要求远距离传输，并且要保证通信的可靠性，以及考虑到露天煤矿 边坡的具体环境，所以本设计选用 GPRS 模块 MC35i，虽然设计上只基于 GSM 网 络短信形式传输，但是为了以后扩展和将来对速度要求的提高，选择了 GPRS 技术 的 MC35i 模块，其兼容 GSM 短信服务。 - 9 - 2.3 GSM 通信系统的组成及特点 GSM 通信系统主要由移动交换子系统MSS、基站子系统BSS和移动台MS 三大部分组成，如图 2.6 所示。其中 MSS 与 BSS 之间接口为 A 接口，BSS 与 MS 之间接口为 Um 接口。GSM 规范对系统的 A 接口和 Um 接口都有明确的规定，也 就是说，A 接口和 Um 接口是开放的接口。 图 2.6 GSM 系统的组成 Fig.2.6 Composition of the GSM systerm 4 移动交换子系统 MSS完成信息的交换、用户信息的管理、呼叫接续、号码 管理等功能。 5 基站子系统 BSSBSS 系统是在一定的无线覆盖区中由 MSC 控制，与 MS 进行通信的系统设备，完成信道的分配、用户接入和寻呼、信息传送等功能。 6 移动台 MSMS 是 GSM 系统移动用户设备，它由两部分组成移动终端和 客户识别卡SIM 卡。移动终端可完成话音的编码、信道编码、信息加密、信息调 制和解调、信息发射和接收。SIM 卡类似于我们现在所用的 IC 卡，因此也称作智 能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信 息，以防止非法客户进入网络，SIM 卡还存储与网络和客户有关的管理数据，只有 插入 SIM 卡后移动终端才能接入网络。 7 操作维护子系统GSM 子系统还包括操作维护子系统OMC，对整个 GSM 网络进行管理和监控，通过它实现对 GSM 网内各种部件功能的监视、状态报告、 故障诊断等功能。 - 10 - 2.3.1 GSM 主要特点 1 频谱效率由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术， 使系统具有高频谱效率； 2 容量由于每个信道传输带宽增加，使同频复用载波比要求降低至 9dB，故 GSM 系统的同频复用模式可以缩小到 4/12 或 3/9 甚至更小模拟系统为 7/21；加上 半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使 GSM 系统的容 量效率每兆赫每小区的信道数比 TAGS 系统高 3-5 倍； 3 话音质量鉴于数字传输技术的特点以及 GSM 规范中有关空中接口和话音 编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无 关； 4 开放的接口GSM 标准所提供的开放性接口，不仅适应于空中接口，而且 适用于报刊网络之间以及网络中各设备实体之间，例如 A 接口和 Abis 接口； 5 安全性通过鉴权、加密和 TMSI 号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来 验证用户的入网权利； 加密用于空中接口， 由 SIM 卡和网络 AUC 的密钥决定； TM