卫斌峰 崔建明

（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

1 引言

近年来，我国煤矿安全事故频繁发生，其中主要是瓦斯和顶板事故，煤矿顶板事故对矿井安全生产危害极大。从我国煤矿事故统计来看，顶板事故一直居各类事故之首，使矿山压力的观测和控制成为实现矿山生产科学管理、减少顶板事故必不可少的基础工作[1]。

目前我国的矿压观测仪器主要存在的问题：传统的机械式、液压式矿压观测仪精度低，数据读取和输入计算机不便，工作效率低下；而较先进的矿压监测系统，配置复杂，操作不方便，并且这种系统常采用电话线和电缆等有线的通信方式，将压力信息传送到井上进行观测和分析。这种有线数据传输网络，虽然有传输数据稳定，不易受到外界干扰等优点，但随着井下采煤工作面的推进，这种有线的通信方式在布线、维护上势必会更加困难。因此有必要考虑采用智能采集无线传输方案，本文重点讨论了目前常用的各种无线传输方式，并对其进行了可行性分析。

2 煤矿压力智能采集装置的硬件设计

煤矿压力数据采集装置的系统框图如图 1所示，该系统主要由以下部分组成：电源电路、压力数据采集、数据存储电路、无线数据传输电路、系统报警电路。它主要完成两个任务：一是将压力传感器采集回来的压力数据进行A/D转换，并将转换结果进行数字滤波、线性处理和标度变换，并进行报警判断和处理，最后将数据存储起来供通信使用；二是完成与上位机的通信。

图1 煤矿压力数据采集装置系统框图

微控制器是整个煤矿压力数据采集装置的核心，它既要对测量的顶板压力进行数据的运算和数字处理，又要对各种外部设备进行控制。因此在设计过程中我们选用了Philips公司的ARM7系列微控制器LPC2131。压力数据采集是通过压力传感器实现的。根据实际要求，压力传感器输入的压力信号范围为0～60MPa；输出信号范围为0～3.3V的电压信号，这样输出的电压信号可直接进行A/D转换，如果不满足，可以通过信号调理电路进行信号转换。由于LPC2131只有8路10位的A/D转换器，因此每个采集装置最多能对8个压力传感器进行数据采集。

存储芯片选用ATMEL公司的E2PROM存储芯片AT24C32A，该芯片采用400kHz的I2C接口，其存储容量为4096×8bit，即4k字节。若采样间隔为5min时，装置每小时采样12次，每小时存储的压力数据所占用的存储空间为：12×20=240字节，最长读取数据时间为：4096÷240=17.07h，即必须在17h内读取一次数据。若采样时间间隔长一些，那读取时间可以更长，满足了所采集数据容量的要求。

3 煤矿压力智能采集装置的软件设计

煤矿压力智能采集装置的软件设计包括以下几部分：系统初始化、实时时钟设置、压力数据采集、数字滤波、数据存储、无线数据传输等。由于该系统采用低功耗设计，所有功能子程序都在中断中完成。当系统初始化后，将微控制器LPC2131的功率控制寄存器设为空闲模式，系统自动进入低功耗状态。当系统有中断时，微控制器LPC2131被唤醒，调用相应的程序进行处理。

系统的主程序流程图如图2所示，数据采集的中断处理流程图如图3所示。

图2 系统主程序流程图

图3 数据采集的中断处理流程图

4 无线传输方式的比较

4.1 蓝牙通信

蓝牙技术是一种采用微波技术取代传统网络中错综复杂的连接电缆实现固定设备和可移动设备的互联而建立起来的特殊的短程无线通信，它具有灵活、快速、抗干扰能力强等优点，而且不限制监控设备的具体位置，使其在社会各个领域特别是监控领域有很广泛的应用。

蓝牙工作在2.4GHz，对于这一频率在矿井中的传输，许多学者已经进行了多次实验，实验表明，100dBm的功率可以有效地传输100m，同时空间电磁波对通信的干扰很小，不影响通信质量[2]。同时，蓝牙技术可在有效范围内透过障碍物进行连接，而且没有方向要求，能够实现点对多点的通信，组网方便。

其缺点在于：传输速率不高（最高为1Mbps）、安全性不高。

4.2 红外数据传输

红外通信技术是目前在世界范围内广泛使用的一种无线连接技术，现已被众多的硬件和软件平台所支持。它主要通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换来实现无线的数据收发，是一种点对点的数据传输协议。

其优点在于：具有小角度（30度锥角以内）、短距离、点对点直线数据传输；保密性好；传输速率较高可达16Mbps[3]。

缺点在于其通信距离短（0～1m）；通信过程中不能移动；遇到障碍物时，通信会中断；只能点对点传输，因此功能单一、扩展性差。

4.3 射频技术

射频技术（RF，Radio Frequency）是一种无线电通信技术，其利用电磁波为载波来传输信息，它是一种在一个区域范围内的任何地方，在各种电子设备之间实现无线通信的开放性技术工业标准。射频技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据，相邻网络使用不同的频率。目前使用的射频芯片大多工作在 433/868/915/2400MHz频段，工作时，在MCU的控制下，通过无线射频收发芯片将数据直接进行数据传输。

射频技术在 2.4GHz频段的数据传输速率为250kbit/s，在915MHz为40kbit/s，在868MHz频段为20kbit/s。有效传输范围为10～75m，可以实现点到多点的传输[4]。功耗和成本都相对蓝牙较低。

4.4 GPRS通信技术

基于现有无线网络实现传输点移动同时数据的远距离传输，就是利用现有移动运营商已经建立好的覆盖全国的无线网络，这种传输方式具有方便、灵活、稳定、传输距离远、不受地点限制、价格适中等特点。

GPRS优点在于：数据传输的可靠性有较高的保障；从远端到管理中心的传输延时小，适于实时信息传输；通信速率高，最高理论速率可达到171.2kbps。其缺点在于：管理中心的GPRS接入方式相对复杂，基本不可以采用低成本的用户终端方式接入，远程通信终端的成本相对较高[5]。

综上所述，各种无线设备都有各自的优劣，都有其广泛的用途，但适合煤矿井下恶劣的工作环境，要求抗干扰能力强，穿透能力强，传输距离尽可能的远。因此我们考虑采用工作频率为 2.4GHz的无线射频技术，通过无线中继的方式[6]来实现远距离传输。

5 结论

本文针对目前煤矿压力检测系统存在的问题，提出了对顶板压力的智能采集和无线传输方案，并对煤矿顶板压力智能采集装置进行了硬件和软件设计，同时将目前广泛使用的各种无线传输方式进行了比较，指出了各自的优劣，最后决定采用无线射频技术加中继的方式来实现井下压力数据的无线传输。

[1] 耿献文.矿山压力测控技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002:62-63,140.

[2] 林邓伟,周超.基于蓝牙技术的煤矿报警监控系统的应用设计[J].工矿自动化,2006.6.

[3] 魏小艳,李军.红外通讯技术与蓝牙技术比较.电子元器件应用[J].华北水利水电学院学报,2007(4).

[4] 龙承志,马玉秋,沈树群.基于低速率的短距离无线通信网络新技术—ZigBee[J].数据通信,2005(1).

[5] 辛艳辉,袁合才.远程监控技术的应用研究进展[J].华北水利水电学院学报, 2009(4).

[6] 韦日华,张春,王志华.一种点对多点无线数据传输系统的设计[J].电讯技术,2003(4):29-33.