基于无线传感网络的支架压力传感器设计

时间：2024-08-31

张高峰

(西山煤电西铭矿供应部，山西太原 030052)

0 引言

近年来随着液压支架电液控制技术的迅速发展，煤矿综采工作面的液压支架支护技术也得到了快速发展，采煤工作的安全性和效率都有了显著提高。液压支架压力监测技术是通过传感器采集工作面支架压力信息，然后传输到监控主机，对工作面支护情况进行实时监测的一种技术手段。未来煤矿会朝着信息化、智能化、无人化方向发展，目前液压支架实现压力监测的方式普遍采用电缆通信，这种通信方式简单可靠，但是存在布线复杂、电缆破损后导致通信失败的缺点。基于上述原因，需要开发一种基于无线通信技术的液压支架压力传感器，以提高液压支架的智能化水平。ZigBee无线网络通信技术是一种新兴的通信技术，这种技术具有低功耗、易组网等特点，十分适用于井下巷道环境中，因此本文基于此项技术进行了压力传感器的设计。

1 巷道通信特点

如果要在矿井中实现短距离无线通信，需要考虑的因素比较多，除了无线通信技术本身的覆盖范围、传输速率、功耗等特质外，还应当考虑矿井自身的物理条件来决定通信频段，包括巷道结构、井下纵向导体等，应当寻找一种传输效果好、适应性强的通信技术解决方案。巷道截面形状、截面等效半径和倾斜程度对无线信号的影响是显著的，在电磁波波长一定的情况下，巷道截面的等效半径越大，信号的衰减就越小。假设一段巷道截面的等效半径是固定的，那么在此条件下就存在一个截止频率，低于这个截止频率的无线信号衰减程度很大，无法进行信号传输。一般的井下巷道截面面积在几十平方米以内，对中频段的电磁波影响较小。巷道内存在的纵向导体包括钢丝绳和电缆，特别是位于巷道中央的导体会产生导波作用，从而使得信号增强，导波作用的频段在中低频段，高频信号的导波作用很弱。综上所述，适用于煤矿井下的无线通信频段为中频段。

常用的无线通信技术有WIFI、IrDA、Bluetooth和ZigBee等。WIFI是一种常用于便携设备互联网接入的无线扩展技术，通常一个路由节点所接入的设备数量不会太多，且需要稳定电源，因此不适用于井下应用场合。IrDA是一种用于点对点遥控领域的无线设备，常用于简单的开关控制，由于这种技术不能组网，因此也不适用于液压支架压力检测系统。Bluetooth也存在不能组网的问题。ZigBee是一种新兴的无线通信技术，具有组网灵活、系统定位、功耗低和可靠性高的特点，工作频率为免执照频段，可以在2.4 GHz、868 MHz及915 MHz中自由选择。因此我们选择ZigBee作为液压支架压力传感器的无线通信方案。

2 ZigBee组网方式

ZigBee的中文正式名称为无线传感网络，这种通信技术具有功耗低、成本低的优点，是新兴的热门研究领域。随着ZigBee联盟的发展壮大，国内外厂商纷纷推出自己的ZigBee芯片，目前其广泛应用于环境监测和自动控制等领域。关于ZigBee网络，国际标准对其工作频率、网络节点的设备类型、组网形式做出了明确的规定。按照IEEE 802.15.4标准规定，ZigBee网络工作频段为3个：即868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。由于井下巷道的结构限制，本文的工作频率设计在868 MHz频段。其设备类型包括路由器、协调器和终端设备三种，由全功能设备和精简功能设备组成，路由器和协调器由全功能设备组成，终端设备由精简功能设备组成。ZigBee网络的组网形式从简单到复杂分别为星型网络结构、树型网络结构和网状网络结构。星型网络结构只有协调器和终端设备，这种结构类似于广播，终端节点与其他节点进行通信时需经过协调器，当网络受到干扰后协调器会出现混乱，因此不适用于大范围通信。树型网络是在星型网络的基础上增加了转发节点形成的网络结构，这种网络结构对根的依赖很大，可靠性不高。网状结构网络是树型结构网络扩展形成的，这种网络结构具有自愈性，适用于液压支架巷道环境，因此本文选择这种结构进行组网。

3 硬件电路设计

由于路由设备是终端设备的精简版，因此本文只介绍终端设备的设计原理，路由设备在此基础上省略了传感器电路、信号调理电路等。一个液压支架压力采集终端原理框图如图1所示，主要包括传感器、信号调理模块、无线收发模块和电源模块。压力传感器从前支柱、后支柱和前探梁采集到的压力数据，经过处理变为反映压力大小的电压量。经信号调理电路进行滤波、AD变换之后，发送给无线收发模块中的8051单片机，经单片机处理和存储后，通过射频模块发送到下一个网络节点。

图1 液压支架压力采集终端原理框图

3.1 压力传感器

矿井顶板对液压支架的压力会使压力传感器的电阻应变片产生形变，从而改变其电阻的大小，因此可以通过设计电桥，将电阻阻值的变化反映在电压变化上，电阻应变式压力传感器就是根据此原理设计的。如图2所示，传感器内部的差动全桥电路由恒流源供电，这样可以消除温度变化的影响。电桥一共使用4只电阻，其中2只电阻阻值随压力增大而增大，另外2只电阻阻值随压力增大而减小，将变化方向不同的电阻分别布置在桥臂对侧，这样可以提高压力传感器的灵敏度。压力传感器的测量精度为1%，最大量程可达60 MPa，输入电压为12 V，输出电流为0.1 mA。

3.2 无线通信电路

目前国内外市场上均有支持ZigBee通信的芯片，包括飞思卡尔公司的MC13193、宁波中科的JN5121、德州仪器公司的CC2430/CC2530等(CC2530是德州仪器在CC2430基础上的增强版本，在存储空间、输出功率、软件平台功能和灵敏度等方面具有较高的特性)。由于MC13193片上未集成微处理器，JN5121片上集成的32位微处理器成本较高，因此本设计选择德州仪器公司生产的CC2530芯片，这款芯片集成了一款8位单片机8051，能够满足低速数据传输的要求，对于液压支架压力监测系统来说已经够用。

图2 压力传感器内部的差动全桥电路原理图

参考数据手册对CC2530芯片及其外围电路的设计如图3所示，包括晶振时钟电路、复位电路、电源滤波电路和ANTENNA非平衡天线电路。晶振时钟电路有两组，晶振Y1位于XOSC_Q1和XOSC_Q2之间，振荡频率为32 MHz，负载电容取27 pF；晶振Y2位于P2_3和P2_4之间，振荡频率为32.768 MHz，负载电容取15 pF。复位电路为RC放电电路，复位上拉电阻R3取10 kΩ，复位电容C18取1 μF，当按下复位按钮时，放电电容被短路，RC放电电路的放电时间10 μs，满足CC2530的复位要求，芯片被置位。无线收发电路由ANTENNA天线经一个非平衡电压器接入芯片的RF_N和RF_P引脚，非平衡电感L2和L3根据射频输入/输出匹配阻抗要求设计。

图3 无线数据收发模块CC2530外围电路