基于ZigBee的礦用應力監測系統的研究

張保通，程永強

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原030024）

基于ZigBee的礦用應力監測系統的研究

張保通，程永強

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原030024）

提出了一種新的煤礦巷道監測方法，即采用測力錨桿對巷道頂部深處的應力變化進行定時監測。系統主要分為三部分：傳感器節點、通信主站和上位機。傳感器節點負責采集和上傳數據，數據主站負責管理各傳感器節點并存儲和上傳數據，上位機負責匯總各傳感器數據并對其進行分析處理。

應力；測力錨桿；ZigBee；安全檢測；煤礦巷道

0 引言

錨固技術是地下工程中的一項非常重要的技術，核心是用錨桿對周圍巖層或土體進行支護，從而維持地下結構穩定，防止坍塌、滑移等災害的出現[1]。而在我國煤礦巷道監測方面，主要有頂板離層監測[2]、表面應力監測、表面收斂監測等手段，但這些監測手段主要監測的都是巷道表面的數據，一旦這些參數有變化時，可能巷道頂板已經處于危險狀態。鑒于這種現狀，本文提出了一種新的礦用應力監測手段——測力錨桿監測系統。該系統可以實時監測出錨桿在不同深度、不同時期的受力大小和分布情況，同時了解其受力特性，能夠及時做出防護。

該系統的研制成功對了解圍巖的受力特性提供了依據，同時對礦山錨固技術和錨桿的受力參數優化也提供了科學的設計依據。本設計實現了煤礦井下智能化監測，對國家數字礦山計劃的實施有很好的借鑒作用。

1 測力錨桿的設計與原理

為了更好地了解測力錨桿的特性，一般的做法是在實驗室進行標定，然后根據實驗結果再進行現場的修改以及標定。為了盡可能地與實際使用的錨桿相同，在實驗室測試的錨桿是從礦上直接取的，取回來的錨桿材質為螺紋鋼，長度為2 200 mm，直徑為22 mm。

測力錨桿的工作原理為：將應變片粘貼到錨桿上，錨桿在受到外力的作用時會發生變形，從而使應變片上的電阻絲發生形變，引起應變片電阻值發生變化，進而使輸出電壓值發生變化，測出電壓值后，再根據電壓與應力的關系，算出錨桿的受力大小[3]。電阻變化率與錨桿長度的變化率成正比關系，即：ΔR/R=K·ΔL/L。其中K為應變片的靈敏系數?？梢?，如果可以測出電阻值的變化(ΔR/R)，就可得出應變片的應變值，最后根據應力與應變的關系求出應力值，而應力值與貼片處承受的軸向力有一定的關系，即：F=ε·S·E，ε為應變值，E為鋼彈性模量，S為測力錨桿的截面積[4]。

由于測力錨桿系統是以一種支護方式對巷道進行支護，以及對各深度的錨桿受力進行分析，為了能夠更貼近礦用錨桿，以及滿足現場的實時檢測，對拿回來的錨桿進行特殊處理。依據測力原理，設計的測力錨桿傳感器如圖1所示。

在設計上將原錨桿的兩側各對稱開一矩形斷面溝槽，在溝槽內每隔300 mm的距離分別對稱地布貼 6對橫豎型電阻應變片[5]。電阻應變片按照一定的連接方式組成惠斯通電橋,然后將導線沿溝槽引至集線盒，并用環氧樹脂灌封粘帖應變片和布線后的溝槽，集線盒將與航空插頭連接,然后通過航空插頭的連接線與后期電路板相連。圖2為錨桿開槽截面。

圖1 測力錨桿示意圖

圖2 錨桿開槽截面圖

實驗中測試的方法是將工作應變片和溫度補償應變片貼在錨桿的兩個相對的槽內，組成惠斯通電橋。如圖3所示，圖中 R1、R3為溫度補償應變片，R2、R4為測試應變片，R2、R4沿錨桿軸向排列，溫度補償片與R2、R4的排列方向正好垂直，起到了溫度補償作用[6]。

圖3 惠斯通電橋原理圖

2 系統硬件組成部分

測力錨桿監測系統主要是完成對支護的錨桿內部受力情況的監測，從而對該地區頂板受力情況做出分析和預警。整個系統分成三部分：測力錨桿傳感器（通信分站）、通信主站、井上平臺（上位機）。圖 4為整個系統的框架。

圖4 整個系統的框架

2.1 測力錨桿傳感器電路

該電路主要是采集測力錨桿傳感器的受力信號，由微處理器進行處理，再通過無線模塊傳到主站。圖5為通信分站系統框架。主控芯片選用的是 TI的 CC2530，模擬前端也選用的是TI的LMP90100，是具有放大器和AD功能的集成芯片；無線通信使用 CC2530和 CC2591的配合，這種配合不僅增大發射功率，而且延長了通信距離[7]。

圖5 通信分站系統框架

主控芯片 CC2530通過 SPI總線來控制模擬前端LMP90100各通道模擬量的選取和采集。模擬前端LMP90100是TI公司的一款高度集成、多通道、低功耗24位放大與 AD集成芯片，電壓范圍為 2.85 V～5.5 V。該器件提供了7個單端輸入或4個差分輸入，從而可以允許連接更多的傳感器，而測力錨桿上是6路差分信號，所以采用了2片LMP90100芯片來作為測力錨桿采集信號的電路。主控芯片CC2530會將采集回來的電壓信號通過事先標定好的軸向力與電壓的對應關系，得出相應的軸向力。如果得到的數據超過報警值，則會在數碼管上進行顯示，提醒工作人員進行查看。

無線通信模塊由CC2530和CC2591配合使用，不僅增加了發射功率，保證了相鄰的2個分站能互相無差錯的通信，同時中間有分站發生故障后信號還能通過跳躍的方式傳到下一節點，以提高系統的可靠性。此模塊的電源通過一個PMOS管開關進行控制，保證系統在不工作時斷電，同時分站長時間不工作時會進入休眠模式，以此最大限度降低系統的功耗。

2.2 主站設計

主站在整個系統中起承上啟下的作用，它不僅要與分站進行通信來獲取數據和時鐘校準，還要與上位機通信進行上傳數據，使工作人員可以方便地隨時查看歷史數據，進行管理。主站由主處理器模塊（STM32）、無線傳輸模塊（CC2530）、電源保護模塊、存儲模塊、485模塊、液晶屏顯示模塊及以太網轉光纖模塊組成，結構見圖6。

圖6 通信主站結構圖

無線通信模塊負責接收各傳感器傳來的的數據，然后通過SPI方式傳給主控制器 STM32，再由液晶顯示屏將數據顯示出來，并對數據進行存儲。顯示模塊是一個人機交互界面，可以通過按節點、按時間查詢各傳感器數據，也可以對數據進行分析處理，以曲線形式直觀地顯示出來。還可以通過觸摸屏對各傳感器的采集間隔、傳輸間隔、網絡ID和時間校準進行設置。以太網轉光纖模塊的作用是將分站的數據發送給地面的上位機。

3 通信協議設計

本系統能夠正常穩定工作的基礎是傳感器節點的通信網絡能夠穩定正常地工作，好的通信協議的設計有助于提高系統的穩定性和可靠性。本系統對功耗要求很高，所以，通信協議設計中，功耗是其考慮的非常關鍵的因素。本設計增加了應答機制及睡眠機制，在保證通信可靠性的基礎上極大地降低了功耗。

每個分站都有一個唯一的網絡ID，如圖7所示，假設有5個分站，則5號～1號的ID號分別為0xff05～0xff01。當所有分站初始設置完成之后，每個分站都會轉移到等待接收同步時間的狀態。此時，主站會向ZigBee主站發送同步時間命令，ZigBee主站在收到同步時間命令后，會把此命令發送到5號分站，5號分站收到此命令后會開啟本地2小時睡眠定時器，啟動定時；接著，5號分站會把本條同步時間命令發送給4號，4號分站收到來自5號的同步時間命令后，會做跟5號同樣的工作，然后把同步命令再發給3號,依次傳遞。當1號分站收到同步時間后，便會轉移到給2號分站發送應力數據的狀態,1號給2號發完數據便會進入睡眠狀態。當2號分站收到1號傳來的數據后便會把自己當前采集的應力數據跟1號傳來的數據一同打包發送給3號，然后也進入睡眠狀態，依次傳遞。最后，5號分站收到4號發來的數據后，便會把自己的數據跟前4號數據一同打包，發送給ZigBee主站。Zig-Bee主站收到所有數據后，便會通過 SPI總線發送給主站，主站便會保存所有數據。到此，本次通信完成。2小時后，各個分站會同時醒來，準備下一次通信。

圖7 通信協議示意圖

4 測力錨桿的標定測試和分析

4.1 標定實驗

測力錨桿在投入使用前，需要在實驗室對其進行標定，將從礦上取回來的錨桿按照上述的制作工藝方法先進行加工。按照如圖8測試結構進行實驗測試。用電子萬能試驗機對測力錨桿施加不同拉力，測出不同拉力對應的電壓值，以找出力與電壓的對應關系。這樣標定可以用于相同材料、相同批號、相同長度的礦用螺紋鋼[8]。

用一根錨桿在實驗機上做3次測試，得出3次不同電壓值。表1為力與電壓關系數據表，圖9為力與電壓曲線圖。

圖8 測試平臺整體結構

表1 力與電壓關系的實驗數據

圖9 力與電壓曲線圖

分析圖可得出一下結論：

(1)3次測量數據基本相同，相對誤差在1%以內，表明只要注意適當的粘帖工藝，制作的測力錨桿的一致性是可以保證的。

(2)所得電壓與拉力的線性度很好，說明應變片質量不錯，同時芯片LMP90100放大特性比較好。

(3)測力錨桿在不同時間段、不同溫度下所得的曲線基本不變，說明測力錨桿傳感器比較穩定，可以在井下工作。

4.2 線性分析

從圖9中可以看出放大后的電壓信號與拉力之間滿足了線性特性，故數據進行最小乘法線性擬合，則得到的線性方程為：

式中，V為放大后電壓，F為拉力。

5 結語

根據多年來工程實踐的經驗，在煤礦巷道施工中，實時監測支護錨桿的受力情況，對于分析錨桿的工作狀態及圍巖的安全狀況有重大意義，而且為優化錨桿的設計參數、改善施工質量提供可靠的科學依據。本系統可以把不同位置、不同深度的頂板受力情況進行分析，從而可以全面了解煤礦頂板地質情況。

[1]邢龍龍.應變式測力錨桿設計及在煤礦巷道中的應用[J].科技資訊，2011(10)：132-133.

[2]周李兵，孫駿馳.煤礦巷道頂板離層監測系統設計[J].工礦自動化，2012，38（4）：93-97.

[3]王俊田，李云.煤礦高精度錨桿拉力測試系統的研制[J].科技創新導報，2008(29)：93.

[4]霍志芳，徐延峰.應用測力錨桿測試圍巖應力[J].西安礦業學院學報，1999(S1)：43-45.

[5]吳志剛.測力錨桿力學模型分析[J].煤礦開采，2008(1)：13-14.

[6]趙海云，侯朝炯，張少華.全長測力錨桿的標定與特性分析[J].煤炭科學技術，2003(1)：21-23.

[7]梁艷超，程永強.基于 ZigBee的礦井數據采集綜合實驗平臺[J].實驗技術與管理，2013(10)：114-116，128.

[8]郝迎吉，閆小樂，賀科學.智能型錨桿拉力測試系統的研制[J].煤礦機電，2004(4)：14-17.

Research of mine-used stress monitoring system based on ZigBee

Zhang Baotong，Cheng Yongqiang
(College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

This paper presents a new monitoring method of mine tunnels,namely timing monitoring the changes of stress at the top of the deep tunnel by using bolt dynamometer.This system includes three parts which are sensor nodes,data stations and upper computers.The sensor nodes collect and upload data.Data stations manage sensor nodes,stroage data and upload data.And it is the duty of upper computers to aggregate data from sensors and then analyze and process the acquired data.

stress；bolt dynamometer；ZigBee；security detection；mine tunnels

TD326

：A

：0258-7998(2015)03-0038-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.008

2014-11-23)

張保通（1989-），男，在讀碩士，主要研究方向：嵌入式系統。

程永強（1969-），通信作者，男，教授，研究生導師，主要研究方向：圖像處理、編碼通信及嵌入式，E-mail：cyqty@163.com。