巷道表面位移是巷道支護監測的重要內容，主要包括頂板下沉量和兩幫移近量。通過動態觀測巷道圍巖表面位移的活動情況，可以及時發現異常，為礦井安全生產提供保障[1-2]。目前，煤礦井下表面位移監測主要有兩種方法：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測量結果的自動傳輸、處理和綜合分析;二是隨著技術的進步，各種基于有線網絡的自動化表面位移監測傳感器相繼出現，但有線網絡存在成本高、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展。

　　近年來，ZigBee無線網絡技術迅速發展起來。ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4協議的短距離、低功耗、低復雜度、低成本的無線網絡技術[3-4]。針對ZigBee技術的特點和煤礦巷道表面位移監測的技術現狀，本文設計了一種基于ZigBee無線傳感器網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整電路實現位移的精確測量，以無線通信的方式將測量結果傳送給分站，并由分站上傳地面監控計算機，實現井下巷道表面位移情況的實時、可靠監測。
1 傳感器工作原理及技術方案
    基于ZigBee無線傳感器網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，其結構如圖1所示。傳感器從井下現場取電(交流127 V)，通過內部的供電電路，轉換成+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的電流信號轉換為0~5 V電壓信號，供單片機采樣。單片機根據采樣的電壓值，分析計算巷道的表面位移值。計算結果通過無線收發器CC2420傳送給分站，并由分站通過RS485總線上傳地面監控計算機，實現井下巷道表面位移情況的實時、可靠監測。

　單片機選用STC12C5A芯片，實現鍵盤讀入、LCD顯示、巷道表面位移的測量、無線收發器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，該模塊將位移變化轉換為0~20 mA電流信號，具有檢測精度高、性能穩定可靠、結構緊湊、防水防塵、使用方便等優點。位移檢測電路采用單電源運放LM358芯片，實現0~20 mA向0~5 V的轉換，單片機根據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。在本系統中，P0口負責模擬液晶屏控制信號和狀態指示信號；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，用于監視收發數據的狀態；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，用于實現串行通信和參數存儲功能；P4口的低四位與CC2420的CSn、SI、SO、SCLK引腳相連，通過SPI通信與CC2420交換數據和命令。

2.2 表面位移檢測電路設計
    系統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整電路實現。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0~20 mA電流向0~5 V電壓的轉換，單片機根據測得的電壓值計算位移量。

2.3 CC2420接口電路設計
　    單片機與無線收發器CC2420的接口電路原理如圖4所示。CC2420實現物理層的數據收發和底層控制，通過SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳指示收發數據的狀態；單片機通過SPI接口與CC2420交換數據和發送命令。單片機作為SPI主控器件實現ZigBee協議層，由CC2420作為從動器件實現節點之間信號的傳輸。

2.4 用戶接口設計
    為了方便用戶的使用，實現測量參數的標定與顯示，系統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。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據；“測量”模式下，單片機采集、計算、顯示測量結果，同時將測量結果通過CC2420無線收發器傳送給Sink節點，并由Sink節點統一將信息上傳光纖環網，供監控計算機分析、處理。系統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點軟件設計和Sink節點軟件設計兩部分，其工作流程如圖6所示。具體工作過程如下：Sink節點主動發送組網廣播，并偵聽傳感器節點的連接請求；傳感器節點響應請求，向Sink節點返回確認信息，完成組網；組網結束后，傳感器節點處于休眠模式，Sink節點處于工作模式，偵聽傳感器節點連接請求命令；當有數據收發時，傳感器節點主動請求連接Sink節點，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取；所設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射出去；Sink節點接收傳感器節點發送的無線射頻信號，通過RS485總線上傳監控計算機；計算機負責數據的存儲、分析和顯示。實驗結果如表1所示。

    實驗結果表明，本文設計的傳感器可以實現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果，能夠滿足設計要求。
5 傳感器在巷道表面位移監測系統中的應用
    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測系統，系統結構如圖7所示。系統主要由地面監控計算機系統和井下無線傳感器網絡兩部分組成。監控計算機負責信號的分析、處理、匯總和統計，監測軟件采用VC6.0高級語言設計。無線傳感器網絡由分布在巷道中的多個智能ZigBee傳感器節點和Sink節點組成，網絡的拓撲結構采用樹狀網。傳感器節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，并將測量數據以無線通信方式匯聚到Sink節點；Sink節點通過RS485總線的方式與光纖環網相連接。光纖環網將無線傳感器網絡采集到的表面位移信息傳送到地面監控計算機，監控計算機根據接收到的數據信息，對巷道表面位移變化情況進行實時監控，并對可能發生的安全事故做出提前預警。

    本文提出的基于ZigBee無線傳感器網絡的巷道表面位移檢測傳感器，充分利用了ZigBee技術的優勢，具有高精度、高效率、低成本、靈活方便等優點。本文的創新點在于，充分結合硬件、軟件的優勢，設計并實現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提供了一種新的技術手段。
參考文獻
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[2] 何滿潮,袁和生,靖洪文,等.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京:科學出版社,2004.
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[6] 李崢. ZigBee無線傳感器網絡在礦井巷道監測系統中的應用[J]. 儀表技術與傳感器,2010(8):57-60.