我國煤礦安全事故其中主要是瓦斯和頂板事故，煤礦頂板事故對礦井安全生產(chǎn)危害極大。從我國煤礦事故統(tǒng)計(jì)來看，頂板事故一直居各類事故之首，使礦山壓力的觀測和控制成為實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)科學(xué)管理、減少頂板事故必不可少的基礎(chǔ)工作。

目前我國的礦壓觀測儀器主要存在的問題：傳統(tǒng)的機(jī)械式、液壓式礦壓觀測儀精度低，數(shù)據(jù)讀取和輸入計(jì)算機(jī)不便，工作效率低下；而較先進(jìn)的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，配置復(fù)雜，操作不方便，并且這種系統(tǒng)常采用電話線和電纜等有線的通信方式，將壓力信息傳送到井上進(jìn)行觀測和分析。

這種有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，雖然有傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，不易受到外界干擾等優(yōu)點(diǎn)，但隨著井下采煤工作面的推進(jìn)，這種有線的通信方式在布線、維護(hù)上勢必會更加困難。因此有必要考慮采用智能采集無線傳輸方案，本文重點(diǎn)討論了目前常用的各種無線傳輸方式，并對其進(jìn)行了可行性分析。

煤礦壓力智能采集裝置的硬件設(shè)計(jì)

煤礦壓力數(shù)據(jù)采集裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由以下部分組成：電源電路、壓力數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲電路、無線數(shù)據(jù)傳輸電路、系統(tǒng)報(bào)警電路。

它主要完成兩個(gè)任務(wù)：一是將壓力傳感器采集回來的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波、線性處理和標(biāo)度變換，并進(jìn)行報(bào)警判斷和處理，最后將數(shù)據(jù)存儲起來供通信使用；二是完成與上位機(jī)的通信。

微控制器是整個(gè)煤礦壓力數(shù)據(jù)采集裝置的核心，它既要對測量的頂板壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算和數(shù)字處理，又要對各種外部設(shè)備進(jìn)行控制。因此在設(shè)計(jì)過程中我們選用了PHILIPS公司的ARM7系列微控制器LPC2131。

圖1 煤礦壓力數(shù)據(jù)采集裝置系統(tǒng)框圖

壓力數(shù)據(jù)采集是通過壓力傳感器實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)實(shí)際要求，壓力傳感器輸入的壓力信號范圍為：0～60Mpa；輸出信號范圍為0～3.3V的電壓信號，這樣輸出的電壓信號可直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，如果不滿足，可以通過信號調(diào)理電路進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。由于LPC2131只有8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，因此每個(gè)采集裝置最多能對8個(gè)壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

存儲芯片選用ATMEL公司的E2PROM存儲芯片AT24C32A，該芯片采用400kHz的I2C接口，其存儲容量為4096×8bit，即4k字節(jié)。若采樣間隔為5分鐘時(shí)，裝置每小時(shí)采樣12次，每小時(shí)存儲的壓力數(shù)據(jù)所占用的存儲空間為：12×20=240字節(jié)，最長讀取數(shù)據(jù)時(shí)間為：4096÷240=17.07小時(shí)，即必須在17小時(shí)內(nèi)讀取一次數(shù)據(jù)。若采樣時(shí)間間隔長一些，那讀取時(shí)間可以更長，滿足了所采集數(shù)據(jù)容量的要求。

煤礦壓力智能采集裝置的軟件設(shè)計(jì)

煤礦壓力智能采集裝置的軟件設(shè)計(jì)包括以下幾部分：系統(tǒng)初始化、實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)置、壓力數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。由于該系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，所有功能子程序都在中斷中完成。當(dāng)系統(tǒng)初始化后，將微控制器LPC2131的功率控制寄存器設(shè)為空閑模式，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)有中斷時(shí)，微控制器LPC2131被喚醒，調(diào)用相應(yīng)的程序進(jìn)行處理。

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示，數(shù)據(jù)采集的中斷處理流程圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

圖3 數(shù)據(jù)采集的中斷處理流程圖

無線傳輸方式的比較

1 藍(lán)牙通信

藍(lán)牙技術(shù)是一種采用微波技術(shù)取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯(cuò)綜復(fù)雜的連接電纜實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備和可移動(dòng)設(shè)備的互聯(lián)而建立起來的特殊的短程無線通信，它具有靈活、快速、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且不限制監(jiān)控設(shè)備的具體位置，使其在社會各個(gè)領(lǐng)域特別是監(jiān)控領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。

藍(lán)牙工作在2.4GHz，對于這一頻率在礦井中的傳輸，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，100dBm的功率可以有效地傳輸100m，同時(shí)空間電磁波對通信的干擾很小，不影響通信質(zhì)量。[2]同時(shí)，藍(lán)牙技術(shù)可在有效范圍內(nèi)透過障礙物進(jìn)行連接，而且沒有方向要求，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，組網(wǎng)方便。

其缺點(diǎn)在于：傳輸速率不高（最高為1Mbps）、安全性不高。

2 紅外數(shù)據(jù)傳輸

紅外通信技術(shù)是目前在世界范圍內(nèi)廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，現(xiàn)已被眾多的硬件和軟件平臺所支持。它主要通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)，是一種點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

其優(yōu)點(diǎn)在于：具有小角度（30度錐角以內(nèi)）、短距離、點(diǎn)對點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸；保密性好；傳輸速率較高可達(dá)16Mbps。

缺點(diǎn)在于其通信距離短（0~1m）；通信過程中不能移動(dòng)；遇到障礙物時(shí)，通信會中斷；只能點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，因此功能單一、擴(kuò)展性差。

3 射頻技術(shù)

射頻技術(shù)（RF，Radio Frequency）是一種無線電通信技術(shù)，其利用電磁波為載波來傳輸信息，它是一種在一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的任何地方，在各種電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線通信的開放性技術(shù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

射頻技術(shù)使用幾個(gè)特定頻率中的一個(gè)頻率傳輸數(shù)據(jù)，相鄰網(wǎng)絡(luò)使用不同的頻率。目前使用的射頻芯片大多工作在433/868/915/2400MHz頻段，工作時(shí)，在MCU的控制下，通過無線射頻收發(fā)芯片將數(shù)據(jù)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

射頻技術(shù)在2.4GHz頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbit/s，在915MHz為40kbit/s，在868MHz頻段為20kbit/s。有效傳輸范圍為10~75m，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸。功耗和成本都相對藍(lán)牙較低。

4 GPRS通信技術(shù)

基于現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸點(diǎn)移動(dòng)同時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，就是利用現(xiàn)有移動(dòng)運(yùn)營商已經(jīng)建立好的覆蓋全國的無線網(wǎng)絡(luò)，這種傳輸方式具有方便、靈活、穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、不受地點(diǎn)限制、價(jià)格適中等特點(diǎn)。

GPRS優(yōu)點(diǎn)在于：數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂休^高的保障；從遠(yuǎn)端到管理中心的傳輸延時(shí)小，適于實(shí)時(shí)信息傳輸；通信速率高，最高理論速率可達(dá)到171.2kbps。其缺點(diǎn)在于：管理中心的GPRS接入方式相對復(fù)雜，基本不可以采用低成本的用戶終端方式接入，遠(yuǎn)程通信終端的成本相對較高[5]。

綜上所述，各種無線設(shè)備都有各自的優(yōu)劣，都有其廣泛的用途，但適合煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，要求抗干擾能力強(qiáng)，穿透能力強(qiáng)，傳輸距離盡可能的遠(yuǎn)。因此我們考慮采用工作頻率為2.4GHz的無線射頻技術(shù)，通過無線中繼的方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

總結(jié)

本文針對目前煤礦壓力檢測系統(tǒng)存在的問題，提出了對頂板壓力的智能采集和無線傳輸方案，并對煤礦頂板壓力智能采集裝置進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)將目前廣泛使用的各種無線傳輸方式進(jìn)行了比較，指出了各自的優(yōu)劣，最后決定采用無線射頻技術(shù)加中繼的方式來實(shí)現(xiàn)井下壓力數(shù)據(jù)的無線傳輸。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為衛(wèi)斌峰、崔建明。）