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基于ZigBee技术的巷道表面位移检测传感器设计
来源:电子技术应用2013年第12期
李学哲, 张有东, 封孝辉, 胡兴志
华北科技学院 机电应用技术研究所, 河北 三河 065201
摘要: 设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的巷道表面位移检测传感器。重点介绍了传感器的原理及软硬件实现方案。系统硬件以STC12C5A单片机为核心,利用先进的激光测距模块实现位移的精确测量,利用CC2420无线收发器模块,实现了数据通信和共享。该传感器以无线通信的方式将测量结果传送给分站,并由分站上传地面监控计算机,实现井下巷道表面位移情况的实时、可靠监测。
中图分类号: TP216
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2013)12-0096-03
The design of surface displacement sensor of mine tunnel based on ZigBee wireless network
Li Xuezhe, Zhang Youdong, Feng Xiaohui, Hu Xingzhi
North China Institute of Science and Technology, Sanhe 065201, China
Abstract: In the paper, a surface displacement detection system based on ZigBee wireless sensor network is proposed. The paper also introduces the principle and implementation of system project. It has the core of STC12C5A single-chip microcomputer, realizes the accurate measurement of displacement by using the laser ranging device, and realizes the data communication and sharing by using CC2420 wireless transceiver module. The sensor transmits the measurement results to the sub-station in a way of wireless communication, then the ground monitoring computer achieves real-time, reliable monitoring of surface displacement variation according to the information uploaded by sub-station.
Key words : surface displacement detection; ZigBee wireless sensor network; STC12C5A; CC2420

    巷道表面位移是巷道支护监测的重要内容,主要包括顶板下沉量和两帮移近量。通过动态观测巷道围岩表面位移的活动情况,可以及时发现异常,为矿井安全生产提供保障[1-2]。目前,煤矿井下表面位移监测主要有两种方法:一是利用机械式或电子式仪表人工定期检测来完成,这种检测方法测量效率和精度低,人为影响因素大,更重要的是很难实现测量结果的自动传输、处理和综合分析;二是随着技术的进步,各种基于有线网络的自动化表面位移监测传感器相继出现,但有线网络存在成本高、安装和维护不方便、灵活性和扩展性差等不足,限制着其在煤矿领域的进一步发展。

  近年来,ZigBee无线网络技术迅速发展起来。ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4协议的短距离、低功耗、低复杂度、低成本的无线网络技术[3-4]。针对ZigBee技术的特点和煤矿巷道表面位移监测的技术现状,本文设计了一种基于ZigBee无线传感器网络表面位移检测传感器。该传感器利用先进的激光测距模块配合相应的放大调整电路实现位移的精确测量,以无线通信的方式将测量结果传送给分站,并由分站上传地面监控计算机,实现井下巷道表面位移情况的实时、可靠监测。
1 传感器工作原理及技术方案
    基于ZigBee无线传感器网络的表面位移检测传感器主要由供电电路、CPU电路、ZigBee无线通信电路、液晶显示电路、按键电路、位移检测电路和激光测距模块等组成,其结构如图1所示。传感器从井下现场取电(交流127 V),通过内部的供电电路,转换成+5 V、+12 V等控制电源供电路使用。利用两个激光测距模块分别检测顶板下沉量和两帮移近量,位移检测电路将模块输出的0~20 mA的电流信号转换为0~5 V电压信号,供单片机采样。单片机根据采样的电压值,分析计算巷道的表面位移值。计算结果通过无线收发器CC2420传送给分站,并由分站通过RS485总线上传地面监控计算机,实现井下巷道表面位移情况的实时、可靠监测。

 单片机选用STC12C5A芯片,实现键盘读入、LCD显示、巷道表面位移的测量、无线收发器CC2420的控制等功能。巷道表面位移的测量采用先进的激光测距模块实现,该模块将位移变化转换为0~20 mA电流信号,具有检测精度高、性能稳定可靠、结构紧凑、防水防尘、使用方便等优点。位移检测电路采用单电源运放LM358芯片,实现0~20 mA向0~5 V的转换,单片机根据测得的电压值计算表面位移值。无线通信模块采用Chipcon公司的CC2420设计。该收发器工作在2.4 GHz ISM公用频段,具有低功耗、抗干扰能力强等特点,适合于井下短距离无线网络的应用[5]。此外,传感器还设计有按键、液晶显示、EEPROM存储等电路,用于完成传感器标定和测量参数显示等功能。
2 表面位移检测传感器硬件设计
2.1 CPU电路设计

    CPU电路是整个系统的核心,由CPU、供电电源、复位电路、时钟电路、EEPROM存储电路和RS232串行通信电路等组成。CPU电路原理如图2所示。CPU电路设计最重要的是引脚功能定义。在本系统中,P0口负责模拟液晶屏控制信号和状态指示信号;P1口的低四位作为A/D采样接口,用于表面位移检测,高四位与CC2420的SFD、FIFO、FIFOP、CCA引脚相连,用于监视收发数据的状态;P2口为按键输入接口,负责采集按键信息;P3口与MAX232和93LC66A相连,用于实现串行通信和参数存储功能;P4口的低四位与CC2420的CSn、SI、SO、SCLK引脚相连,通过SPI通信与CC2420交换数据和命令。

2.2 表面位移检测电路设计
    系统中表面位移的检测通过Y1TA100QXVT80激光测距模块配合相应的放大调整电路实现。该模块采用+24 V供电,测量范围0~10 m,输出0~20 mA的电流信号。为了实现电流信号的精确测量,检测电路采用单电源12 V供电的运放LM358设计,其原理如图3所示。通过本电路实现0~20 mA电流向0~5 V电压的转换,单片机根据测得的电压值计算位移量。

2.3 CC2420接口电路设计
     单片机与无线收发器CC2420的接口电路原理如图4所示。CC2420实现物理层的数据收发和底层控制,通过SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4个引脚指示收发数据的状态;单片机通过SPI接口与CC2420交换数据和发送命令。单片机作为SPI主控器件实现ZigBee协议层,由CC2420作为从动器件实现节点之间信号的传输。

2.4 用户接口设计
    为了方便用户的使用,实现测量参数的标定与显示,系统设计了按键与显示模块。利用通用矩阵键盘配合接口电路可方便地选择功能及输入设置参数。利用液晶屏实时显示测量位移值。按键接口采用74HC148设计,液晶屏采用LCD1602设计。
3 表面位移检测传感器软件设计
3.1 软件总体设计

    基于ZigBee无线传感器网络的表面位移检测传感器软件采用Keil C51设计,主要包括主程序模块、按键输入模块、液晶显示模块、参数标定模块、位移测量模块和ZigBee无线通信模块等。单片机首先在液晶屏上显示开机信息,然后根据硬件设置,分别进入“标定”和“测量”模式。“标定”模式下,单片机在按键的控制下采集标定曲线,为位移的精确测量提供基准数据;“测量”模式下,单片机采集、计算、显示测量结果,同时将测量结果通过CC2420无线收发器传送给Sink节点,并由Sink节点统一将信息上传光纤环网,供监控计算机分析、处理。系统软件主程序流程如图5所示。

 

 

3.2 ZigBee通信软件设计
    ZigBee通信软件设计主要包括传感器节点软件设计和Sink节点软件设计两部分,其工作流程如图6所示。具体工作过程如下:Sink节点主动发送组网广播,并侦听传感器节点的连接请求;传感器节点响应请求,向Sink节点返回确认信息,完成组网;组网结束后,传感器节点处于休眠模式,Sink节点处于工作模式,侦听传感器节点连接请求命令;当有数据收发时,传感器节点主动请求连接Sink节点,并上报检测到的位移信息。

4 实验及分析
    针对设计的表面位移检测传感器进行了测试实验。其中,节点距离设置为10 m;两个激光测距模块分别用于测量顶板下沉量和两帮移近量,位移的标准值通过游标卡尺读取;所设计的传感器负责对位移的感知和处理,并通过无线射频信号发射出去;Sink节点接收传感器节点发送的无线射频信号,通过RS485总线上传监控计算机;计算机负责数据的存储、分析和显示。实验结果如表1所示。

    实验结果表明,本文设计的传感器可以实现表面位移的精密测量,测量误差控制在±2.5%;传感器具有ZigBee无线通信功能,可以灵活方便地上传测量结果,能够满足设计要求。
5 传感器在巷道表面位移监测系统中的应用
    利用所设计的传感器可以方便地组成各种巷道表面位移自动监测系统,系统结构如图7所示。系统主要由地面监控计算机系统和井下无线传感器网络两部分组成。监控计算机负责信号的分析、处理、汇总和统计,监测软件采用VC6.0高级语言设计。无线传感器网络由分布在巷道中的多个智能ZigBee传感器节点和Sink节点组成,网络的拓扑结构采用树状网。传感器节点完成巷道表面位移的检测,包括顶板下沉量和两帮移近量,并将测量数据以无线通信方式汇聚到Sink节点;Sink节点通过RS485总线的方式与光纤环网相连接。光纤环网将无线传感器网络采集到的表面位移信息传送到地面监控计算机,监控计算机根据接收到的数据信息,对巷道表面位移变化情况进行实时监控,并对可能发生的安全事故做出提前预警。

    本文提出的基于ZigBee无线传感器网络的巷道表面位移检测传感器,充分利用了ZigBee技术的优势,具有高精度、高效率、低成本、灵活方便等优点。本文的创新点在于,充分结合硬件、软件的优势,设计并实现了一种具有无线通信功能的高精度、自动化表面位移检测传感器,从而为保障煤矿安全生产提供了一种新的技术手段。
参考文献
[1] 张光建. 回采巷道锚杆支护状态观测研究[J].煤炭工程,2002(7):5-7.
[2] 何满潮,袁和生,靖洪文,等.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社,2004.
[3] 郭栋. 基于CC2430的ZigBee无线传感器网络设计与实现[J].物联网技术,2011(3):40-42.
[4] 孙茂一,陈利学. ZigBee技术在无线传感器网络中的应用[J].现代电子技术,2008,31(2):192-194.
[5] 张治斌. ZigBee无线传感器网络在瓦斯监测系统中的应用[J].矿山机械,2007(11):32-35.
[6] 李峥. ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用[J]. 仪表技术与传感器,2010(8):57-60.