（检测技术与自动化装置专业论文）新型无线煤矿压力采集和智能分析系统的研制.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 新型无线煤矿压力采集和智能分析系统的研制 摘要 近年来，我国煤矿安全事故频繁发生，其中主要是瓦斯和项板事故， 煤矿顶板事故对矿井安全生产危害极大。从我国煤矿事故统计来看，顶板 事故一直居各类事故之首。 矿山压力的观测与控制是实现矿山生产科学管理、减少项板事故必不 可少的基础工作。目前我国绝大多数煤矿井下顶板压力检测一般采用机械 式、液压式观测仪器，精度低，工作效率低下。而较先进的矿压监测系统， 配置复杂，采用有线的通信方式，布线、维护也比较困难。因此，研制一 种新型的精度高、通信方便的煤矿压力观测仪器迫在眉睫。 本文在深入了解国内外矿山压力观测仪器的基础上，认真分析了目前 我国各种矿山压力观测仪器存在的不足，考虑到煤矿井下的实际环境，研 制了一种基于无线传输的新型煤矿压力采集和智能分析系统。该系统由两 个装置组成，即煤矿压力数据采集装置和便携式智能分析装置，它们分别 采用高性能的a r m 7 系列微控制器l p c 2 1 3 1 和l p c 2 1 3 8 。整个系统采用低功 耗设计，其中，煤矿压力数据采集装置能够定时采集和存储顶板压力数据、 无线接收和处理智能分析装置的各种无线命令、无线中继传输各种中继命 令和数据信息。智能分析装置采用便携式设计，采用图形化界面显示，所 有功能必须通过操作功能键盘进行选取。该装置能够无线接收和存储压力 数据、无线校准煤矿压力数据采集装置实时时钟、图形化显示和智能分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 各采集点压力数据、压力数据上传计算机。 首先，文章简要的阐述了各个装置的功能划分、总体思想设计、通信 方式的选取。然后分别根据各个装置的功能要求，对其硬件电路设计和软 件程序设计部分展开详细的介绍。为了方便工作人员采集数据，系统还采 用了无线中继传输方式，并设计了一种简单可靠的无线数据中继传输网络 协议，可以保证无线数据准确的传送。 经过大量的实验验证，本系统的硬件和软件程序工作可靠，操作方便。 整个系统具有测量精度高、体积小、功耗低等特点。它的研制对提高我国 煤矿顶板压力检测的自动化程度，保障我国煤炭行业的高效率安全生产有 重要的意义。 关键字：矿山压力检测，a r m 7 微控制器，无线数据传输，无线网络协议设计， 数据采集 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c ho fn e wt y p ew i r e l e s s c o a lm i n ep r e s s u r ed a t ac o l l e c t i o na n d i n t e l l i g e n ta n a l y s i ss y s t e m i nr e s e n ty e a r s ，t h ec o a la c c i d e n t sh a p p e n e df r e q u e n t l yi no u rc o u n t r y , e s p e c i a l l yg a sa n dr o o fa c c i d e n t s t h er o o fa c c i d e n t sj e o p a r d i z et h es a f e t yo f c o a lm i n es e r i o u s l y a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c so fo u rc o u n t r y sc o a lm i n e a c c i d e n t s ，t h en u m b e ro f t h er o o f a c c i d e n t si sa l w a y sm o r et h a nt h eo t h e r s t h e m i n ep r e s s u r ed e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gi st h ea b s o l u t e l yn e c e s s a r yt a s k t oa c h i e v et h em i n e ss c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n dt or e d u c et h er o o fa c c i d e n t s n o w a d a y s ，m a n yt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cm i n ep r e s s u r ed e t e c t i n g i n s t r u m e n t sa r ew i d e l ya p p l i e di no u rc o u n t r y , b u tt h e i rw o r ke f f i c i e n c yi sv e r y l o w h o w e v e r , t h ea d v a n c e dm i n ep r e s s u r ed e t e c t i n gs y s t e m sa r et o o c o m p l i c a t e dt oc o n f i g u r e ，a n dt h e s es y s t e m sa r ea l s ot o od i f f i c u l tt oi n s t a l la n d m a i n t a i n ，b e c a u s et h e ya d o p tt h et e l e p h o n el i n eo rt h eo p t i c a lf i b e rt o c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c han e wt y p ec o a l m i n e p r e s s u r ed e t e c t i n g i n s t r u m e n tw h i c hi s h i g h p r e c i s i o n a n d s i m p l e - c o m m u n i c a t i o n a f t e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h ea c t u a l i t yo fc o a lm i n ep r e s s u r ed e t e c t i n g i n s t r u m e n t si nh o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rd e s i g n san e wt y p ew i r e l e s sc o a l i i i 太原理工大学硕七研究生学位论文 m i n ep r e s s u r ec o l l e c t i o na n di n t e l l i g e n ta n a l y s i ss y s t e m t h i ss y s t e mi sm a d eu p o ft w oi n s t r u m e n t s ：t h ec o a lm i n ep r e s s u r ed a t ac o l l e c t i o ni n s t r u m e n ta n dt h e i n t e l l i g e n t a n a l y s i si n s t r u m e n t t h e ya d o p t t h e h i g h - p e r f o r m a n c e m i c r o c o n t r o l l e r l p c 2 1 3 1a n dl p c 2 1 3 8 t h es y s t e mi sl o wp o w e r - e x p e n d i t u r e t h ec o a lm i n ep r e s s u r ed a t ac o l l e c t i o ni n s t r u m e n t sf u n c t i o n ：c o l l e c t i n ga n d s t o r i n gt h er o o fp r e s s u r ed a t at i m e l y , r e c e i v i n ga n dd i s p o s i n gt h ei n t e l l i g e n t a n a l y z i n gi n s t r u m e n t sc o m m a n dd a t ab yt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e ， t r a n s m i t t i n gt h ec o m m a n da n dd a t ab yt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr e l a y t h e p o c k e t a b l ei n t e l l i g e n ta n a l y s i si n s t r u m e n ti n c l u d e st h eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ， a n dt h ei n t e r f a c ec a nb em a n u f a c t e db yt h ef u n c t i o nk e y t h i si n s t r u m e n t s f u n c t i o n s ：r e c e i v i n g a n ds t o r i n gt h ep r e s s u r ed a t aw i r e l e s s l y , d i s p l a y i n g g r a p h i c l ya n da n a l y z i n gt h ep r e s s u r ed a t ai ne v e r ys p o t ，a n dt r a n s m i t t i n gt h e p r e s s u r ed a t at ot h ec o m p u t e r f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep a r t i t i o no fe a c hi n s t r u m e n t sf u n c t i o n ， t h em a i nd e s i g n i n gi d e a ，a n dt h es e l e c t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o di nb r i e f t h e n ，a c c o r d i n gt oe a c hi n s t r u m e n t s f u n c t i o nr e q u i r e m e n t , i tp r e s e n t st h e h a r d w a r ea n ds o t t w a r ei nd e t a i l i no r d e rt oc o l l e c t i n gt h ep r e s s u r ed a t a c o n v e n i e n t l y , w ea d o p tt h ew i r e l e s sr e l a yt r a n s m i s s i o n ，a n dd e s i g nt h ew i r e l e s s r e l a yd a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r kp r o t o c 0 1 a f t e rp r a c t i s i n gi nm a n yt i m e s ，i tt u r n so u tt h a tt h i ss y s t e mc a l lw o r k r e l i a b l ya n dc a nb eo p e r a t e ds i m p l y i na d d i t i o n ，t h es y s t e mh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h p r e c i s i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h i ss y s t e mi sf i t i v 太原理一i ：大学硕士研究生学位论文 f o rd e t e c t i n gt h ec o a lm i n ep r e s s u r e ，a n da l s oi m p r o v e st h ew o r ke f f i c i e n c yo f t h ep r e s s u r ed a t ac o l l e c t i o n k e yw o r d s ：m i n e p r e s s u r ed e t e c t i n g ，a r m 7m i c r o c o n t r o l l e r , w i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o n ，w i r e l e s sn e t w o r kp r o t o c o l ，d a t ac o l l e c t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索引 表3 1 无线数传模块p t r 4 0 0 0 的引脚功能表2 0 表3 2 无线数传模块p 1 r i o o o 的工作模式配置表2 1 表3 3 无线数传模块p t r 4 0 0 0 的配置表 2 2 表4 1a r m 异常向量位置。3 7 表4 2l p c 2 1 3 1 存储器映射模式。3 7 表5 - 1 液晶模块n h l 2 8 6 4 m 引脚5 7 表5 2r s 2 3 2 常用引脚。6 1 图2 - 1 煤矿压力数据采集装置和智能分析装置总体工作框图6 图2 - 2 传统的无线点对多点数据传输模式 图2 - 3 本系统的无线数据中继传输模式8 图2 - 4 煤矿压力数据采集装置与压力传感器的连接图1 0 图2 5 煤矿压力数据采集装置的实物图1 1 图2 - 6 煤矿压力数据采集装置的硬件框图1 1 图2 7 智能分析装置硬件框图1 5 图2 8 智能分析装置的实物图1 6 图3 - 1 煤矿压力数据采集装置的硬件框图1 7 图3 - 2 无线数传模块p t r 4 0 0 0 与l p c 2 1 3 1 的连接图2 3 图3 31 2 c 总线接口的电气连接图2 5 图3 41 2 c 总线的起停信号时序图2 5 图3 5a t 2 4 c 3 2 a 的地址。2 6 图3 - 61 2 c 总线的应答信号和非应答信号。 图3 7 主器件发送数据到从器件 图3 8 主器件接收从器件数据 图3 - 9 压力数据存储电路 图3 1 0 煤矿压力数据采集装置与压力传感器的连接图 。2 7 2 7 2 7 ：1 8 图3 1 1 煤矿压力采集装置压力数据保存格式 图3 1 2 电流信号传输的典型电路3 0 图3 1 3 压力传感器信号变换电路3 l 图3 1 4 煤矿压力数据采集装置的电源电路3 2 图3 1 5 煤矿压力数据采集装置的复位电路3 3 x i 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 1 6 煤矿压力数据采集装置的报警指示电路3 4 图3 1 7 煤矿压力数据采集装置的r t c 备用电源电路3 5 图4 1l p c 2 1 3 1 系统存储器映射3 6 图4 - 2 煤矿压力数据采集装置的主程序软件流程图4 0 图4 3 压力数据采集中断处理流程图4 0 图4 4p t r 4 0 0 0 中断处理示流程图4 l 图4 5 煤矿压力数据采集装置的初始化程序框图4 2 图4 - 6p n h o o o 配置时序图4 5 图4 7r t c 设置程序流程图。5 0 图4 8 无线通信程序流程图5 1 图4 - 9 压力数据采集、滤波和存储程序流程图5 3 图5 1 智能分析装置硬件框图5 5 图5 2p t r 4 0 0 0 的连接电路。5 6 图5 3 液晶模块n h l 2 8 6 4 m 硬件电路图。5 8 图5 - 4a t 2 4 c 5 1 2 的地址5 9 图5 5 数据存储电路6 0 图5 - 6 串行通信电路6 2 图5 7 功能键盘电路6 3 图5 8 智能分析装置的电源电路“ 图5 - 9 智能分析装置的复位电路“ 图5 - 1 0 智能分析装置的报警电路6 5 图6 一l 智能分析装置软件功能框图6 7 图6 2 智能分析装置的主流程图6 7 图6 3 智能分析装置的系统初始化流程图6 8 图6 - 4 液晶模块初始化流程框图6 9 图6 5 液晶模块串行输入时序图7 1 图6 - 6 键盘功能选择程序流程图 图6 7 无线采集数据程序流程图7 5 图6 8 无线实时时钟校准程序流程图7 6 图6 - 9 压力数据分析程序流程7 8 图6 1 0 数据图表显示程序流程图7 9 图6 1 1 压力数据上传计算机程序流程图8 0 图7 - l 无线数据中继传输方式工作示意图8 l 图7 - 2 无线数据中继传输流程框图8 5 x i i 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 图7 3 系统实时时钟校准命令的格式8 6 图7 4 无线压力数据读取命令格式8 7 图7 5 实时时钟设置应答命令格式8 8 图7 - 6 压力数据无线传输命令格式8 8 图7 7 无线数据传输命令格式8 9 图7 8 无线数据中继传输命令格式8 9 x i i i 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：边丑壅日期：2 盟：曼l 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：跹垄日期： 导师签名： 口d 7 工扣 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题目的和意义 第一章绪论 1 9 8 7 年原煤炭工业部颁发的煤炭工业技术政策第3 9 条“矿山压力测量”中规 定：“各矿区对采煤工作面和井巷进行矿压观测，根据岩层性质、顶板压力、顶板下沉 量和下沉速度、放顶步距、周期来压等数据，逐步摸清本矿区的矿压规律，制定本矿区 的顶板分类标准。作为采区设计、巷道布置、设备选型、支护设计、顶板控制的依据【”。” 这充分的说明了矿山压力观测的重要性及在煤矿生产中的地位。 随着科学技术的发展，液压技术在煤炭采掘机械中得到了愈来愈广泛的应用。目前， 我国绝大多数煤矿回采工作面采用自移式液压支架，它以高压液体为动力，由金属构件 和若干液压元件组成，使支架的支撑、切顶、移架和输送机推移等工序全部实现了机械 化。液压支架的使用大大地改善了回采工作面的工作条件、降低了人们的劳动强度，有 效地增加了劳动安全性，使工作面的产量和效率得到了很大的提高，并为工作面的自动 化创造了条件。在液压系统中，压力是丰常重要的参数，当压力超过或低于限定值时系 统就会发生故障，从而对人身和财产安全构成很大威胁。液压检测不仅可以为综采支架 支撑的工作阻力和顶板压力情况提供可靠的数据，而且可以通过分析该数据来预测项板 压力，预防事故发生1 2 j 。可见，液压支架的压力检测是非常重要的。 目前国内大多数煤矿对支架压力参数检测均使用传统的机械式液压测量仪表( 通常 称为机械圆图仪) 。这类仪表对支架压力参数的获取是靠指针在记录纸上移动来记录数 据，常常由于记录纸的伸缩性、曲线线条的宽度等，使得仪表的精度低、误差大。而且 数据被记录后，每天还需要专门的工作人员取出机械圆图仪内的记录纸，然后将数据经 过手工转换到直角坐标系下再记录存档 3 1 ，工作效率低下。 较先进的矿压监测系统主要工作方式是将矿井下压力等数据采集到后，通过电缆或 电话线等方式传送到井上，然后再用计算机对这些数据进行分析处理、打印等。虽然这 种系统可连续进行监测，信息容量大，处理功能强，并能提前进行人工预报和声光报警， 可以大大提高矿压监测质量，减少事故发生，但同时亦存在着价格昂贵、系统配置复杂 和布线、维护困难等缺陷。 因此，为了提高煤矿矿压观测工作效率、保证煤矿安全生产，研制一种新型的测量 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 精度高、通信简便、价格适中、操作方便、工作性能优良的便携式煤矿压力观测设备势 在必行。 1 2 国内外矿压观测仪器研究现状 1 2 1 我国矿压观测仪器的发展现状 近年来，随着国家对煤矿安全的重视程度不断加大，我国的矿山压力观测仪器也取 得了较大的进步。我国矿压观测仪器的发展历程，主要可分为三个阶段。 1 矿压研究观测仪器的初期研制开发阶段 5 0 7 0 年代大致为这一阶段。建国后，国民经济的恢复和发展要求大力发展采矿工 业，从根本上改变我国采矿工业的落后面貌，为配合采煤方法改革，进行了采场矿山压 力观测和一般煤层巷道围岩应力及变形的矿压观测。此期间。矿压观测仪器都较为简单， 精度较低，基本均为人工记录和人工处理数据。 这时期矿压观测仪器的特点是：观测仪器多属机械式结构，用途单一，人工操作， 大多无自动功能，未实现连续记录观测，仪器笨重。从而使观测仪器设置位置零散，费 工费时费力，顶板动态来压的预测预报严重滞后于实际生产过程，这就大大降低了矿压 研究的准确性和适时性，影响了矿压研究的生产的指导作用和在现场的推广使用。如此 造成矿压研究的观测方法只能做科研课题研究之用，无法应用到日常的顶板管理工作中 去，为生产管理提供决策依据。 2 矿压研究观测仪器研制的发展阶段 8 0 年代到9 0 年代末，可认为是矿压研究观测仪器研制的第二发展阶段。8 0 年代以 来，传感器理论技术、电子技术和单片机技术在矿压观测仪器开发中逐渐得到广泛的应 用。这期阅开发的矿压仪器种类繁多，已实现系列化，生产厂家亦迅速增多，几乎遍布 全国；同时大部分矿压观测仪器采用单片机技术采集数据并进行数据的预处理，实现了 智能化和数显化，极大地方便了观测工作，这些仪器由于采用传感器和单片机技术，故 而测量精度和灵敏度都大为提高。 3 矿压观测仪器的现代研制发展阶段 9 0 年代末至今为矿压观测仪器研制的新阶段，不过此阶段现在还在不断延续，并没 有结束。本阶段研制出的矿压观测仪器具有更加灵敏、准确、误差小、可靠、易用，并 满足适时监控要求的特点。这种新型智能化的矿压监测仪器的研制成功为煤矿采场矿压 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 监控的研究奠定了坚实的基础。 这一时期具有代表性的矿压检测仪器是顶板计算机监测系统，该智能化系统通过了 部级鉴定。在许多煤矿现场实践应用证明：在坚硬顶板，特别是受冲击地压威胁的矿井， 用该系统来预测预报采场顶板灾害事故，保证安全生产具有重要作用。特别是近年来， 大同矿务局科研所开发研制的综采面顶板动态监测计算机智能系统，也是这一时期矿压 检测仪器研发的典型代表。这些系统技术先进、性能稳定可靠、系统完整，采用信号传 输将井下分站和地面的中央计算机处理系统有机地结合在一起，可连续进行监测，信息 容量大，处理功能强，并能提前进行人工预报和声光报警，不失为一种好设备，但同时 存在着价格昂贵和系统配置复杂等不足【4 】。 1 2 2 国外矿压观测研究现状 早期的矿压观测是通过机械或机电装置对锚的一些相对运动进行检测。起初，利用 监测微震信号来预报冒顶事故仅仅停留在有限的研究上【5 1 。2 0 世纪4 0 年代o b e r t 和 d u v a l l 对这项技术进行评估。随后，1 9 7 5 年l e i g h t o n 和s t e b l e y 证实当系统获取到在 3 6 到4 4 k h z 之间的增加的噪声率，就能提前1 5 分钟预测到煤矿事故。但是，由于超声 波的频率减弱的太快，所以要求地音监测仪必须放置在靠近顶板事故附近，这种类型的 系统的要求有许多操作上的困难。 目前国外采用超声波对岩体、混凝土等非金属体进行各种参数测定的仪器种类很 多，并各具特色。但从仪器的检测原理上来讲，基本上可分为两类：一是直接测量纵波 速度变化的直读式超声检测仪；二是监视波形，分析横、纵波并读出其波速的超声检测 仪【l 】。前者体积小，重量轻，便于携带，使用方便。后者因具有波形显示及人工读数等 功能，测量数据比前者更可靠，除测得波速以外，还能进行横、纵波的振幅、频率及相 位等分析，但这类仪器使用起来比较复杂，操作者需具有一定的专业知识才能熟练地操 作。 1 3 矿压观测仪器研制的发展方向 根据采场矿压研究的特点，结合目前国内外矿压观测仪器的发展现状，我国的矿压 观测仪器发展方向应如下。 1 矿压仪器研制应优先发展电子化仪器【刀。采用传感器和数据采集仪直接相连的信号传 3 太原理1 = 大学硕士研究生学位论文 输系统，应用单片机技术进行数据采集和预处理，然后通过接口将数据输入微机进行 进一步处理，对采场顶板动态做出预测预报。 2 矿压仪器应向智能化方向发展，并应满足数显直接读要求和具有自动化报警装置。 3 矿压仪器应向小型化、集中化和便携式且安装维修方便的方向发展。改变过去矿压仪 器“老大笨粗”的落后局面，使其更易于在矿井应用。 4 考虑到国情和经济能力，应优先发展并采用适宜于一股隋况下的井下数据数据采集和 地面中心计算机上处理系统的组合方式的顶板动态监测智能系统。在中央计算机和数 采器之间通过接口通讯，传输数据信息，既可避免人工输入数据的麻烦，又可避免设 置井下分站和使用传输电缆经济性差的缺陷，同时还可以实现连续监测，适时预报以 及日常的顶板动态监控和生产管理工作，在坚硬顶板矿区特别是具有冲击地压矿井， 或者具有雄厚经济实力的大型矿井，条件许可时，应优先考虑应用全套的顶板计算机 检测系统。 1 4 本论文的主要内容 本文在分析了国内外矿压观测仪器的研究现状，查阅和消化大量相关文献的基础上 嗍【埘，根据我国目前煤矿压力检测的实际情况，设计了一种基于无线传输的新型煤矿 压力采集和智能分析系统。该系统实现了定时采集和保存压力数据、无线接收和发送压 力数据和命令信息、图表显示和分析处理压力数据、压力数据上传计算机等功能。 本文根据系统的设计要求，主要做了以下三个方面的工作： 1 新型的煤矿压力数据采集装置的研制 该装置的主要功能：、定时采集由顶板压力传感器传送过来压力信号，对压力数 据软件滤波后，并和时间信息一同按规定格式存储起来；、无线接收智能分析装置的 命令信息，若命令的操作对象( 目的地址) 是自身，则按命令信息调用相应的功能子程序 处理，并返回操作信息，否则，根据协议将命令信息进行中继传送出去。 根据煤矿压力数据采集装置的功能要求，本文分别从硬件和软件两个方面入手进行 设计。硬件设计内容主要包括：无线数据传输电路、顶板压力数据存储电路、传感器信 号变换电路、报警电路等。软件设计时采用模块化设计，将整个功能分成各个小功能模 块实现，这样大大减小了开发难度。软件设计内容包括：系统初始化子程序、压力数据 采集、数字滤波和存储子程序、实时时钟设置子程序、压力数据无线通信子程序、无线 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 数据中继传输子程序等。 2 便携式智能分析装置的研制 该装置采用图形化界面，所有功能必须通过对功能键盘操作来选取，主要能够实现 的功能有：、无线接收并存储煤矿压力数据采集装置的压力数据；、无线设置煤矿 压力数据采集装置的实时时钟数据；、图表显示各个采集点压力数据：、分析各个 采集点压力数据；、压力数据上传计算机。 本文分别从硬件和软件两个部分对智能分析装置进行设计。硬件方面设计内容主要 有：无线数传模块电路设计、液晶模块电路设计、压力数据存储模块电路设计、串行通 信电路设计、功能键盘电路设计等。由于智能分析装置的功能较多，软件设计相对比较 复杂，主要有：系统初始化子程序、键盘功能选择子程序、系统设置子程序，无线采集 压力数据子程序、无线校准实时时钟子程序、压力数据分析子程序、压力数据图表显示 子程序、压力数据上传子程序。 3 无线网络协议的设计 由于矿井下压力采集装置多，而智能分析装置的无线通信范围小，若采用简单的点 对点通信方式，则采集时工作量大，效率低下。本文设计了一种无线网络协议，采用中 继的方式对压力数据等进行传输，保证了网络数据传输的可靠性，提高了工作效率。 考虑到煤矿井下的实际情况，本文首先分析了传统的点对点通信方式( p p p ) 在本系 统应用中存在的不足，针对无线数据传输时存在的几个问题，设计出了一种新的无线数 据中继传输协议。该协议的设计，实现了智能分析装置能在无线网络覆盖范围内与任意 煤矿压力数据采集装置进行通信，从而提高了矿压采集的工作效率。 5 太原理- 大学硕士研究生学位论文 第二章煤矿压力采集和智能分析系统的整体设计 目前我国的矿压观测仪器主要存在的问题：传统的机械式、液压式矿压观测仪精度 低，数据读取和输入计算机不便，工作效率低下；而较先进的矿压监测系统，配置复杂， 操作不方便，并且这种系统常采用电话线和电缆等有线的通信方式，将压力信息传送到 井上进行观测，随着井下采煤工作面的推进，这种有线的通信方式在布线、维护上势必 会更加困难。针对以上的种种不足，本设计主要解决如下问题。 1 高工作效率 本文设计了一种无线网络协议，能够十分方便地在无线网络覆盖范围内对任意煤矿 压力数据采集装置进行采集。另外，智能分析装置采用便携式设计，方便压力数据采集， 该装置还有图表显示各采集点的液压支架上压力数据、分析处理各采集点压力数据、压 力数据上传计算机等功能。 2 便捷的通信方式 由于综采面液压支架移动比较频繁，若采用有线的通信方式，势必布线、维护都很 困难，在本设计中采用无线的通信方式，为保证通信的准确性，系统还设计了高效的无 线通信协议。 系统由煤矿压力数据采集装置和智能分析装置组成。系统总体设计框图如图2 一l 。 图2 - 1 煤矿压力数据采集装置和智能分析装置总体工作框图 f i g u r e2 - 1b l o c kd i a g r a mo f t h ec o a lm i n ep r e s s u r ed a t ac o l l e c t i o ni n s t r u m e n ta n dt h ei n t e l l i g e n ta n a l y s i s i n s t r u m e n t 6 太原理丁大学硕士研究生学位论文 2 1 压力数据传输方式的选取 2 1 1 无线的传输方式与有线的传输方式的比较 1 3 j 目前采用的有线数据传输网络，虽然有传输数据稳定，不易收到外界干扰等优点， 但是综采工作面是一个向前推进的作业面。随着工作面的推移，液压支架也必须向前移 动。如果采用有线的传输方式，势必给移架带来很大困难、常因挤坏电源和信号电缆使 系统无法正常工作。因此，有线传输方式是不可取的1 1 4 】。在调查研究及小规模模拟实验 基础上，确定了用可充电电池组供电的智能采集无线传输方案。 2 1 2 无线电波与红外传输数据的比较 目前虽然有些矿井压力监测设备采用了红外无线传输的方式采集压力数据【”l ，但是 考虑到红外无线传输的一个致命缺点是：在传输路线上必须无障碍物阻挡，若受到阻挡 就无法正确的传输数据。综合以上考虑，本设计采用无线电波传输数据，保证了传输的 可靠性。 2 1 3 无线通信模式选取 煤矿井下无线电通信早就开展了研究和应用工作。但与地面无线电通信比，由于煤 壁、岩体及金属支架对无线电波的影响，信号在传输过程中衰减较大，如用对讲机实地 测试只能传输数十米“4 1 ，另外考虑到安全防爆、装置的功耗等因素，因此，在设计时采 用低功耗无线传输模块，该模块的主要特点：传输距离短( 一般在1 0 1 5 米左右) ，功 耗低。 o o 蒯 5 撑 。压力数据采集装置 智能分析装置 图2 - 2 传统的无线点对多点数据传输模式 f i g u r e2 - 2t r a d i t i o n a lp i pd a t at r a n s m i s s i o nm o d e 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 在煤矿井下的特殊环境，若采用传统的无线点对多点的传输方式效果则不太理想 【2 1 h 捌。如图2 2 ，智能分析装置向需要采集的压力数据采集装置( 后面称目标地址，如 2 # ) 发送命令信息，该压力数据采集装置接收到命令信息后，执行相应的操作后，把命 令操作返回信息传送回智能分析装置。但智能分析装置只能接收到以自己为中心，通讯 距离为半径的一个圆形区域内的所有压力数据采集点的压力数据( 如图中的1 # ，2 # ，3 # ， 4 # ) 。若在该范围外( 如图中的5 # ，6 # ) ，则无法接收到，智能分析装置必须走近后才能 接收到数据。故采用这种传输方式来接收数据不太理想。 ，。- - ， 、 o 压力数据采集装置 口智能分析装置 图2 - 3 本系统的无线数据中继传榆模式 f i g u r e2 - 3w i r e l e s sd a t ar e l a yt r a n s m i s s i o nm o d e 因此，考虑到上述的缺点，在本设计中采用了中继方式进行数据采集，如图2 3 所 示。智能分析装置发出命令信息( 如目标地址是图中的压力数据采集装置6 # ) 后，以智 能分析装置为中心，通讯距离为半径的一个圆形区域内的所有压力数据采集装置接收到 该命令信息后，与本机地址比较，若相同就将数据立即传送回智能分析装置；若不相同 压力数据采集装置在静态路径表中查找下一中继节点地址，将接收到的命令信息转换成 中继命令，以该采集装置为中心，通讯距离为半径的一个圆区域内重新发送，发送后将 本装置的无线模块变为专用频道。依次传递下去，直到找到所需要的压力数据采集装置 ( 如图中传递路线：智能分析装置斗3 # 一5 # - 6 # ) ，这样就建立了一个通讯专线，然后 该压力数据采集装置沿着传递路线的逆方向( 如6 # 一5 # 斗3 # 寸智能分析装置) 向智能分 析装置发送数据信息 16 】【1 酊。详细介绍请见第七章。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 无线数据传输模块的选取 煤矿压力数据采集装置和智能分析装置之间采用无线的传输方式，由于煤矿井下工 作环境恶劣，各种干扰因素复杂，另外还需要考虑到各种安全因素，如防爆等。故应该 设计时选用工作点压低，功耗小，发射功率小，抗干扰能力强的无线数据传输模块。 考虑到以上的种种要求，本设计中选用的无线数据传输模块是讯通公司的 p t r 4 0 0 0 ，该模块的射频芯片采用的是n o r d i c 半导体公司的n r f 2 4 0 1 a ，工作在2 4 g h z 频段，其理论发射距离为1 0 0 m 左右，而实际距离在5 0 8 0 m 鲫。经过实验验证，p t r 4 0 0 0 模块的有效通信范围是1 0 m 1 5 m ，适合本设计要求。该模块的主要有以下几个特征【”】： 1 、采用2 4 g h z 的全球开放的i s m 频段，可免费使用；最高工作速率为1 m b p s ，高 效g m s k 调制，抗干扰能力强； 2 、有1 2 5 个频道，可满足多点通信和调频通信的需要； 3 、内置硬件c r c 检错和点对多点通信地址控制： 4 、低功耗1 9 3 6 v 工作电压，p o w e rd o w n 模式下仅为l u a ； 5 、内置2 4 g h z 天线，体积小巧，仅2 4 m m * 2 4 m m ： 6 、模块可软件设置地址，只有收到本机地址时才会输出数据( 提供中断指示) ，可 直接与各种单片机使用，软件编程非常方便； 7 、内置专门的稳压电路，使用各种电源包括d c d c 开关电源均有很好的通信效果： 8 、标准d i p 间距借口，便于嵌入式应用。 2 3 煤矿压力数据采集装置的设计思想 2 3 1 煤矿压力数据采集装置的主要功能要求 如图2 4 所示，每个煤矿压力数据采集装置可以对8 个顶板压力传感器进行数据采 集( 在设计中顶板压力传感器采用的是标准4 2 0 m a 的压力传感器) ，图中的s 1 、s 2 、 s 8 为顶板压力传感器，该压力传感器将顶板压力的变化量转换成4 2 0 m a 的电流信号传 输到煤矿压力数据采集装置，该装置通过信号变换电路将电流信号转换成电压信号，然 后进行a d 转换，最后再把采集到的信号进行处理并保存起来。 9 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 图2 - 4 煤矿压力数据采集装置与压力侍感器的连接图 f i g u r e2 - 4c o n n e c t i o nd i a g r a mo f t h ec o a lm i n ep r e s s u r ed a t ac o l l e c t i o ni n s t r u m e n ta n dt h ep r e s s u r e $ e l l s o r s 煤矿压力数据采集装置的主要功能： 1 定时采集各点压力传感器的压力信号，且定时时间可由智能分析装置的命令更 改。在该装置实时时钟的压力数据采集定时时间到后，开始顺序采集压力数据。系 统默认采集压力数据的时间为1 小时，也可根据需要，通过智能分析装置命令设置， 最小为5 分钟采集一次压力数据，最大为l 周采集一次数据； 2 保存压力数据。对压力数据软件滤波，并将采集的压力数据和采集数据的时间 按照规定的格式保存起来； 3 无线发送所采集到的压力数据。当接收到智能分析装置发送过来的压力数据读 取命令后，煤矿压力数据采集装置通过无线的方式将已存储的压力数据送回给智能 分析装置，并将已发送出去的压力数据删除； 4 校准系统实时时钟。当接收到智能分析装置发送过来的系统实时时钟校准命令 后，煤矿压力数据采集装置从命令信息中提取新的实时时钟信息，重新对实时时钟 进行设置； 5 无线中继传输各种命令。当煤矿压力数据采集装置接收到的命令信息的目标地 址不是自己，既不是对本机进行操作的命令信息时，会在静态路径表中查找下一中 继节点地址，并将接收到的命令信息转换成中