巷道表面位移是巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，主要包括頂板下沉量和兩幫移近量。通過動(dòng)態(tài)觀測(cè)巷道圍巖表面位移的活動(dòng)情況，可以及時(shí)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(cè)主要有兩種方法：一是利用機(jī)械式或電子式儀表人工定期檢測(cè)來完成，這種檢測(cè)方法測(cè)量效率和精度低，人為影響因素大，更重要的是很難實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)傳輸、處理和綜合分析;二是隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種基于有線網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化表面位移監(jiān)測(cè)傳感器相繼出現(xiàn)，但有線網(wǎng)絡(luò)存在成本高、安裝和維護(hù)不方便、靈活性和擴(kuò)展性差等不足，限制著其在煤礦領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

　　近年來，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(fù)雜度、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3-4]。針對(duì)ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和煤礦巷道表面位移監(jiān)測(cè)的技術(shù)現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的表面位移檢測(cè)傳感器。該傳感器利用先進(jìn)的激光測(cè)距模塊配合相應(yīng)的放大調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)位移的精確測(cè)量，以無線通信的方式將測(cè)量結(jié)果傳送給分站，并由分站上傳地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)井下巷道表面位移情況的實(shí)時(shí)、可靠監(jiān)測(cè)。
1 傳感器工作原理及技術(shù)方案
    基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的表面位移檢測(cè)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(cè)電路和激光測(cè)距模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器從井下現(xiàn)場(chǎng)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(gè)激光測(cè)距模塊分別檢測(cè)頂板下沉量和兩幫移近量，位移檢測(cè)電路將模塊輸出的0~20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~5 V電壓信號(hào)，供單片機(jī)采樣。單片機(jī)根據(jù)采樣的電壓值，分析計(jì)算巷道的表面位移值。計(jì)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(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)井下巷道表面位移情況的實(shí)時(shí)、可靠監(jiān)測(cè)。

　單片機(jī)選用STC12C5A芯片，實(shí)現(xiàn)鍵盤讀入、LCD顯示、巷道表面位移的測(cè)量、無線收發(fā)器CC2420的控制等功能。巷道表面位移的測(cè)量采用先進(jìn)的激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊將位移變化轉(zhuǎn)換為0~20 mA電流信號(hào)，具有檢測(cè)精度高、性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、防水防塵、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。位移檢測(cè)電路采用單電源運(yùn)放LM358芯片，實(shí)現(xiàn)0~20 mA向0~5 V的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的電壓值計(jì)算表面位移值。無線通信模塊采用Chipcon公司的CC2420設(shè)計(jì)。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(qiáng)等特點(diǎn)，適合于井下短距離無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[5]。此外，傳感器還設(shè)計(jì)有按鍵、液晶顯示、EEPROM存儲(chǔ)等電路，用于完成傳感器標(biāo)定和測(cè)量參數(shù)顯示等功能。
2 表面位移檢測(cè)傳感器硬件設(shè)計(jì)
2.1 CPU電路設(shè)計(jì)
    CPU電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由CPU、供電電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、EEPROM存儲(chǔ)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(shè)計(jì)最重要的是引腳功能定義。在本系統(tǒng)中，P0口負(fù)責(zé)模擬液晶屏控制信號(hào)和狀態(tài)指示信號(hào)；P1口的低四位作為A/D采樣接口，用于表面位移檢測(cè)，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(fù)責(zé)采集按鍵信息；P3口與MAX232和93LC66A相連，用于實(shí)現(xiàn)串行通信和參數(shù)存儲(chǔ)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(cè)電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中表面位移的檢測(cè)通過Y1TA100QXVT80激光測(cè)距模塊配合相應(yīng)的放大調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)。該模塊采用+24 V供電，測(cè)量范圍0~10 m，輸出0~20 mA的電流信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的精確測(cè)量，檢測(cè)電路采用單電源12 V供電的運(yùn)放LM358設(shè)計(jì)，其原理如圖3所示。通過本電路實(shí)現(xiàn)0~20 mA電流向0~5 V電壓的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的電壓值計(jì)算位移量。

2.3 CC2420接口電路設(shè)計(jì)
　    單片機(jī)與無線收發(fā)器CC2420的接口電路原理如圖4所示。CC2420實(shí)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(gè)引腳指示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；單片機(jī)通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。單片機(jī)作為SPI主控器件實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議層，由CC2420作為從動(dòng)器件實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)的傳輸。

2.4 用戶接口設(shè)計(jì)
    為了方便用戶的使用，實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)的標(biāo)定與顯示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)置參數(shù)。利用液晶屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)量位移值。按鍵接口采用74HC148設(shè)計(jì)，液晶屏采用LCD1602設(shè)計(jì)。
3 表面位移檢測(cè)傳感器軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件總體設(shè)計(jì)
    基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的表面位移檢測(cè)傳感器軟件采用Keil C51設(shè)計(jì)，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(biāo)定模塊、位移測(cè)量模塊和ZigBee無線通信模塊等。單片機(jī)首先在液晶屏上顯示開機(jī)信息，然后根據(jù)硬件設(shè)置，分別進(jìn)入“標(biāo)定”和“測(cè)量”模式。“標(biāo)定”模式下，單片機(jī)在按鍵的控制下采集標(biāo)定曲線，為位移的精確測(cè)量提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；“測(cè)量”模式下，單片機(jī)采集、計(jì)算、顯示測(cè)量結(jié)果，同時(shí)將測(cè)量結(jié)果通過CC2420無線收發(fā)器傳送給Sink節(jié)點(diǎn)，并由Sink節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一將信息上傳光纖環(huán)網(wǎng)，供監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)
    ZigBee通信軟件設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和Sink節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)主動(dòng)發(fā)送組網(wǎng)廣播，并偵聽傳感器節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求；傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)請(qǐng)求，向Sink節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)信息，完成組網(wǎng)；組網(wǎng)結(jié)束后，傳感器節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，Sink節(jié)點(diǎn)處于工作模式，偵聽傳感器節(jié)點(diǎn)連接請(qǐng)求命令；當(dāng)有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)主動(dòng)請(qǐng)求連接Sink節(jié)點(diǎn)，并上報(bào)檢測(cè)到的位移信息。

4 實(shí)驗(yàn)及分析
    針對(duì)設(shè)計(jì)的表面位移檢測(cè)傳感器進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。其中，節(jié)點(diǎn)距離設(shè)置為10 m；兩個(gè)激光測(cè)距模塊分別用于測(cè)量頂板下沉量和兩幫移近量，位移的標(biāo)準(zhǔn)值通過游標(biāo)卡尺讀??；所設(shè)計(jì)的傳感器負(fù)責(zé)對(duì)位移的感知和處理，并通過無線射頻信號(hào)發(fā)射出去；Sink節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無線射頻信號(hào)，通過RS485總線上傳監(jiān)控計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)表面位移的精密測(cè)量，測(cè)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(cè)量結(jié)果，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
5 傳感器在巷道表面位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用
    利用所設(shè)計(jì)的傳感器可以方便地組成各種巷道表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)的分析、處理、匯總和統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)軟件采用VC6.0高級(jí)語言設(shè)計(jì)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在巷道中的多個(gè)智能ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用樹狀網(wǎng)。傳感器節(jié)點(diǎn)完成巷道表面位移的檢測(cè)，包括頂板下沉量和兩幫移近量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)以無線通信方式匯聚到Sink節(jié)點(diǎn)；Sink節(jié)點(diǎn)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(luò)采集到的表面位移信息傳送到地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，對(duì)巷道表面位移變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)可能發(fā)生的安全事故做出提前預(yù)警。

    本文提出的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巷道表面位移檢測(cè)傳感器，充分利用了ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有高精度、高效率、低成本、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于，充分結(jié)合硬件、軟件的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有無線通信功能的高精度、自動(dòng)化表面位移檢測(cè)傳感器，從而為保障煤礦安全生產(chǎn)提供了一種新的技術(shù)手段。
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