基于無線傳感器網絡的煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)
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2.4 天線
CC2430在2.4 GHz頻段上使用直接序列擴展頻譜(DSSS)來擴展輸出功率，從而使通信鏈路具有很強的抗干擾性，即使在嘈雜的環(huán)境中也能運行。CC2430可使用不同類型的天線。常用的是偶極子的差分天線，λ/2偶極子天線長度計算公式為：L=12 250/f。其中f的單位是MHz，長度單位是cm。2.45 GHz的天線必須是5.8 cm，每邊為2.9 cm。如果用于短距離通信也可以應用單極子、螺旋或環(huán)狀天線。在硬件設計中，須使用雙面印刷電路板，板面必須很好地鋪地。布置元件時應盡可能靠近，外接元件越小越好。元件接地時，需單獨接地，切勿星狀接地，形成環(huán)流，影響系統(tǒng)的運行。
3 匯聚節(jié)點
匯聚節(jié)點[6]（如圖1所示）采用無線接收、有線發(fā)送的方式。匯聚節(jié)點的主控制芯片為CC2430。CC2430無線接收各終端節(jié)點發(fā)送過來的礦井頂板地址數據和頂板壓力數據，將其按相應的地址號存儲在相應的地址單元。由于匯聚節(jié)點接收的數據量較大,本系統(tǒng)采用AT24C256作為數據存儲器，控制圖與圖3相似，不再重復給出。匯聚節(jié)點將接收到的地址數據和頂板壓力數據整理打包，通過USB口將數據發(fā)送至傳輸接口。CH341T是一個USB總線的轉接芯片，通過USB總線提供串口、打印口或者并口。在串口方式下，CH341T 提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號以及常用的MODEM 聯絡信號，用于將普通的串口設備直接升級到USB 總線。在并口方式下，CH341T 提供了EPP 方式或者MEM方式的8 bit并行接口，用于在不需要單片機/DSP/MCU 的環(huán)境下,直接輸入輸出數據。CH341T與CC2430接口圖如圖4所示。圖4中P0_3設置為TXD，P0_2設置為RXD，因此，CC2430控制寄存器需作相應的設置。具體設置為：外設控制寄存器PERCFG=XXXXXXX0；輸入配置寄存器ADCCFG=XXXX00X1；端口功能選擇器P0SEL=XXXX111。
4 傳輸接口
傳輸接口[6-7]安裝在地面監(jiān)測站和無線傳感網絡匯聚節(jié)點之間，將匯聚節(jié)點傳輸來的煤礦頂板的地址數據和頂板壓力數據通過USB口傳輸至上位管理主機中。由于傳輸接口與地面監(jiān)測站之間距離較遠，因此為了確保傳輸數據的正確性，需要對USB通信加中繼，提高其傳輸能力。同時，傳輸接口對接收到數據進行處理，當接收到某一地址的頂板壓力數據接近或超過預先設置的數據時，發(fā)出聲光報警。因此，從匯聚節(jié)點傳輸的USB信號需進行增強和分路,如圖5所示。AU9254可實現USB 1路到4路的分路,同時可以從RJ-45口實現遠距離傳輸。
傳輸接口采用C8051F320為主控芯片對接收到的數據進行處理。C8051F320系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內核。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)，CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，片內調試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試。C8051F320的USB接口符合USB2.0版規(guī)范，可以實現全速(12 Mb/s)或低速(1.5 Mb/s)的串行通信。C8051F320與USB接口圖如圖6所示。
5 地面中心站
地面中心站接收由傳輸接口通過USB傳輸來的煤礦頂板的地址數據和頂板壓力數據，對數據進行相應規(guī)劃和處理，在監(jiān)控中心顯示屏中實時顯示煤礦頂板地址以及相應地址的頂板壓力數據。在地面中心站中編制相應的管理軟件，將接收的數據和系統(tǒng)數據存儲在數據庫中，通過鼠標點擊某一地址，就可以查閱該地址處頂板壓力的歷史數據曲線和安全數據，及時發(fā)出事故報警橙色信息，為預防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學的依據。
本文設計了一種基于無線傳感器網絡的礦井頂板壓力監(jiān)測控制系統(tǒng)，并設計了無線傳感器網絡節(jié)點頂板壓力檢測、無線傳輸電路。通過無線傳感器網絡可實現對礦井下各頂板壓力的實時監(jiān)測，為預防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學的依據。同時本系統(tǒng)還可以添加相應的傳感器監(jiān)測井下作業(yè)區(qū)的溫濕度、氧含量、有毒有害氣體含量、粉塵含量等多種環(huán)境參數的監(jiān)測，這將為煤礦及其相關行業(yè)的安全生產提供可靠的分析和保障，具有重大的經濟及社會意義。
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