巷道表面位移是巷道支護監(jiān)測的重要內(nèi)容,，主要包括頂板下沉量和兩幫移近量,。通過動態(tài)觀測巷道圍巖表面位移的活動情況，可以及時發(fā)現(xiàn)異常,，為礦井安全生產(chǎn)提供保障[1-2],。目前，煤礦井下表面位移監(jiān)測主要有兩種方法：一是利用機械式或電子式儀表人工定期檢測來完成,，這種檢測方法測量效率和精度低,，人為影響因素大，更重要的是很難實現(xiàn)測量結(jié)果的自動傳輸,、處理和綜合分析;二是隨著技術的進步,，各種基于有線網(wǎng)絡的自動化表面位移監(jiān)測傳感器相繼出現(xiàn)，但有線網(wǎng)絡存在成本高,、安裝和維護不方便,、靈活性和擴展性差等不足，限制著其在煤礦領域的進一步發(fā)展,。

　　近年來，ZigBee無線網(wǎng)絡技術迅速發(fā)展起來,。ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4協(xié)議的短距離,、低功耗、低復雜度,、低成本的無線網(wǎng)絡技術[3-4],。針對ZigBee技術的特點和煤礦巷道表面位移監(jiān)測的技術現(xiàn)狀，本文設計了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的表面位移檢測傳感器,。該傳感器利用先進的激光測距模塊配合相應的放大調(diào)整電路實現(xiàn)位移的精確測量,，以無線通信的方式將測量結(jié)果傳送給分站，并由分站上傳地面監(jiān)控計算機,，實現(xiàn)井下巷道表面位移情況的實時,、可靠監(jiān)測。
1 傳感器工作原理及技術方案
    基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的表面位移檢測傳感器主要由供電電路、CPU電路,、ZigBee無線通信電路,、液晶顯示電路、按鍵電路,、位移檢測電路和激光測距模塊等組成,，其結(jié)構如圖1所示。傳感器從井下現(xiàn)場取電(交流127 V),，通過內(nèi)部的供電電路,，轉(zhuǎn)換成+5 V、+12 V等控制電源供電路使用,。利用兩個激光測距模塊分別檢測頂板下沉量和兩幫移近量,，位移檢測電路將模塊輸出的0~20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0~5 V電壓信號，供單片機采樣,。單片機根據(jù)采樣的電壓值,，分析計算巷道的表面位移值。計算結(jié)果通過無線收發(fā)器CC2420傳送給分站,，并由分站通過RS485總線上傳地面監(jiān)控計算機,，實現(xiàn)井下巷道表面位移情況的實時、可靠監(jiān)測,。

　單片機選用STC12C5A芯片,，實現(xiàn)鍵盤讀入、LCD顯示,、巷道表面位移的測量,、無線收發(fā)器CC2420的控制等功能。巷道表面位移的測量采用先進的激光測距模塊實現(xiàn),，該模塊將位移變化轉(zhuǎn)換為0~20 mA電流信號,，具有檢測精度高、性能穩(wěn)定可靠,、結(jié)構緊湊,、防水防塵、使用方便等優(yōu)點,。位移檢測電路采用單電源運放LM358芯片,，實現(xiàn)0~20 mA向0~5 V的轉(zhuǎn)換，單片機根據(jù)測得的電壓值計算表面位移值,。無線通信模塊采用Chipcon公司的CC2420設計,。該收發(fā)器工作在2.4 GHz ISM公用頻段，具有低功耗,、抗干擾能力強等特點,，適合于井下短距離無線網(wǎng)絡的應用[5]。此外，傳感器還設計有按鍵,、液晶顯示,、EEPROM存儲等電路，用于完成傳感器標定和測量參數(shù)顯示等功能,。
2 表面位移檢測傳感器硬件設計
2.1 CPU電路設計
    CPU電路是整個系統(tǒng)的核心,，由CPU、供電電源,、復位電路,、時鐘電路、EEPROM存儲電路和RS232串行通信電路等組成,。CPU電路原理如圖2所示,。CPU電路設計最重要的是引腳功能定義。在本系統(tǒng)中,，P0口負責模擬液晶屏控制信號和狀態(tài)指示信號,；P1口的低四位作為A/D采樣接口，用于表面位移檢測,，高四位與CC2420的SFD,、FIFO、FIFOP,、CCA引腳相連,，用于監(jiān)視收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；P2口為按鍵輸入接口,負責采集按鍵信息,；P3口與MAX232和93LC66A相連,，用于實現(xiàn)串行通信和參數(shù)存儲功能；P4口的低四位與CC2420的CSn,、SI,、SO、SCLK引腳相連,，通過SPI通信與CC2420交換數(shù)據(jù)和命令,。

2.2 表面位移檢測電路設計
    系統(tǒng)中表面位移的檢測通過Y1TA100QXVT80激光測距模塊配合相應的放大調(diào)整電路實現(xiàn)。該模塊采用+24 V供電,，測量范圍0~10 m，輸出0~20 mA的電流信號,。為了實現(xiàn)電流信號的精確測量,，檢測電路采用單電源12 V供電的運放LM358設計，其原理如圖3所示,。通過本電路實現(xiàn)0~20 mA電流向0~5 V電壓的轉(zhuǎn)換,，單片機根據(jù)測得的電壓值計算位移量。

2.3 CC2420接口電路設計
　    單片機與無線收發(fā)器CC2420的接口電路原理如圖4所示。CC2420實現(xiàn)物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)和底層控制,，通過SFD,、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳指示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài),；單片機通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令,。單片機作為SPI主控器件實現(xiàn)ZigBee協(xié)議層，由CC2420作為從動器件實現(xiàn)節(jié)點之間信號的傳輸,。

2.4 用戶接口設計
    為了方便用戶的使用,，實現(xiàn)測量參數(shù)的標定與顯示，系統(tǒng)設計了按鍵與顯示模塊,。利用通用矩陣鍵盤配合接口電路可方便地選擇功能及輸入設置參數(shù),。利用液晶屏實時顯示測量位移值。按鍵接口采用74HC148設計,，液晶屏采用LCD1602設計,。
3 表面位移檢測傳感器軟件設計
3.1 軟件總體設計
    基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的表面位移檢測傳感器軟件采用Keil C51設計，主要包括主程序模塊,、按鍵輸入模塊,、液晶顯示模塊、參數(shù)標定模塊,、位移測量模塊和ZigBee無線通信模塊等,。單片機首先在液晶屏上顯示開機信息，然后根據(jù)硬件設置,，分別進入“標定”和“測量”模式,。“標定”模式下，單片機在按鍵的控制下采集標定曲線,，為位移的精確測量提供基準數(shù)據(jù),；“測量”模式下，單片機采集,、計算,、顯示測量結(jié)果，同時將測量結(jié)果通過CC2420無線收發(fā)器傳送給Sink節(jié)點,，并由Sink節(jié)點統(tǒng)一將信息上傳光纖環(huán)網(wǎng),，供監(jiān)控計算機分析、處理,。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖5所示,。

3.2 ZigBee通信軟件設計
    ZigBee通信軟件設計主要包括傳感器節(jié)點軟件設計和Sink節(jié)點軟件設計兩部分，其工作流程如圖6所示,。具體工作過程如下：Sink節(jié)點主動發(fā)送組網(wǎng)廣播,，并偵聽傳感器節(jié)點的連接請求,；傳感器節(jié)點響應請求，向Sink節(jié)點返回確認信息,，完成組網(wǎng),；組網(wǎng)結(jié)束后，傳感器節(jié)點處于休眠模式,，Sink節(jié)點處于工作模式,，偵聽傳感器節(jié)點連接請求命令；當有數(shù)據(jù)收發(fā)時,，傳感器節(jié)點主動請求連接Sink節(jié)點,，并上報檢測到的位移信息。

4 實驗及分析
    針對設計的表面位移檢測傳感器進行了測試實驗,。其中,，節(jié)點距離設置為10 m；兩個激光測距模塊分別用于測量頂板下沉量和兩幫移近量,，位移的標準值通過游標卡尺讀?。凰O計的傳感器負責對位移的感知和處理,，并通過無線射頻信號發(fā)射出去,；Sink節(jié)點接收傳感器節(jié)點發(fā)送的無線射頻信號，通過RS485總線上傳監(jiān)控計算機,；計算機負責數(shù)據(jù)的存儲,、分析和顯示。實驗結(jié)果如表1所示,。

    實驗結(jié)果表明,，本文設計的傳感器可以實現(xiàn)表面位移的精密測量，測量誤差控制在±2.5%,；傳感器具有ZigBee無線通信功能,可以靈活方便地上傳測量結(jié)果,，能夠滿足設計要求。
5 傳感器在巷道表面位移監(jiān)測系統(tǒng)中的應用
    利用所設計的傳感器可以方便地組成各種巷道表面位移自動監(jiān)測系統(tǒng),，系統(tǒng)結(jié)構如圖7所示,。系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控計算機系統(tǒng)和井下無線傳感器網(wǎng)絡兩部分組成。監(jiān)控計算機負責信號的分析,、處理,、匯總和統(tǒng)計，監(jiān)測軟件采用VC6.0高級語言設計,。無線傳感器網(wǎng)絡由分布在巷道中的多個智能ZigBee傳感器節(jié)點和Sink節(jié)點組成,，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構采用樹狀網(wǎng)。傳感器節(jié)點完成巷道表面位移的檢測,，包括頂板下沉量和兩幫移近量,，并將測量數(shù)據(jù)以無線通信方式匯聚到Sink節(jié)點；Sink節(jié)點通過RS485總線的方式與光纖環(huán)網(wǎng)相連接,。光纖環(huán)網(wǎng)將無線傳感器網(wǎng)絡采集到的表面位移信息傳送到地面監(jiān)控計算機,，監(jiān)控計算機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，對巷道表面位移變化情況進行實時監(jiān)控,，并對可能發(fā)生的安全事故做出提前預警,。

    本文提出的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的巷道表面位移檢測傳感器，充分利用了ZigBee技術的優(yōu)勢,，具有高精度,、高效率、低成本,、靈活方便等優(yōu)點,。本文的創(chuàng)新點在于，充分結(jié)合硬件,、軟件的優(yōu)勢,，設計并實現(xiàn)了一種具有無線通信功能的高精度、自動化表面位移檢測傳感器,，從而為保障煤礦安全生產(chǎn)提供了一種新的技術手段,。
參考文獻
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