我國煤礦安全事故其中主要是瓦斯和頂板事故，煤礦頂板事故對礦井安全生產危害極大。從我國煤礦事故統計來看，頂板事故一直居各類事故之首，使礦山壓力的觀測和控制成為實現礦山生產科學管理、減少頂板事故必不可少的基礎工作。

目前我國的礦壓觀測儀器主要存在的問題：傳統的機械式、液壓式礦壓觀測儀精度低，數據讀取和輸入計算機不便，工作效率低下；而較先進的礦壓監測系統，配置復雜，操作不方便，并且這種系統常采用電話線和電纜等有線的通信方式，將壓力信息傳送到井上進行觀測和分析。

這種有線數據傳輸網絡，雖然有傳輸數據穩定，不易受到外界干擾等優點，但隨著井下采煤工作面的推進，這種有線的通信方式在布線、維護上勢必會更加困難。因此有必要考慮采用智能采集無線傳輸方案，本文重點討論了目前常用的各種無線傳輸方式，并對其進行了可行性分析。

煤礦壓力智能采集裝置的硬件設計

煤礦壓力數據采集裝置的系統框圖如圖1所示，該系統主要由以下部分組成：電源電路、壓力數據采集、數據存儲電路、無線數據傳輸電路、系統報警電路。

它主要完成兩個任務：一是將壓力傳感器采集回來的壓力數據進行A/D轉換，并將轉換結果進行數字濾波、線性處理和標度變換，并進行報警判斷和處理，最后將數據存儲起來供通信使用；二是完成與上位機的通信。

微控制器是整個煤礦壓力數據采集裝置的核心，它既要對測量的頂板壓力進行數據的運算和數字處理，又要對各種外部設備進行控制。因此在設計過程中我們選用了PHILIPS公司的ARM7系列微控制器LPC2131。

圖1 煤礦壓力數據采集裝置系統框圖

壓力數據采集是通過壓力傳感器實現的。根據實際要求，壓力傳感器輸入的壓力信號范圍為：0～60Mpa；輸出信號范圍為0～3.3V的電壓信號，這樣輸出的電壓信號可直接進行A/D轉換，如果不滿足，可以通過信號調理電路進行信號轉換。由于LPC2131只有8路10位的A/D轉換器，因此每個采集裝置最多能對8個壓力傳感器進行數據采集。

存儲芯片選用ATMEL公司的E2PROM存儲芯片AT24C32A，該芯片采用400kHz的I2C接口，其存儲容量為4096×8bit，即4k字節。若采樣間隔為5分鐘時，裝置每小時采樣12次，每小時存儲的壓力數據所占用的存儲空間為：12×20=240字節，最長讀取數據時間為：4096÷240=17.07小時，即必須在17小時內讀取一次數據。若采樣時間間隔長一些，那讀取時間可以更長，滿足了所采集數據容量的要求。

煤礦壓力智能采集裝置的軟件設計

煤礦壓力智能采集裝置的軟件設計包括以下幾部分：系統初始化、實時時鐘設置、壓力數據采集、數字濾波、數據存儲、無線數據傳輸等。由于該系統采用低功耗設計，所有功能子程序都在中斷中完成。當系統初始化后，將微控制器LPC2131的功率控制寄存器設為空閑模式，系統自動進入低功耗狀態。當系統有中斷時，微控制器LPC2131被喚醒，調用相應的程序進行處理。

系統的主程序流程圖如圖2所示，數據采集的中斷處理流程圖如圖3所示。

圖2 系統主程序流程圖

圖3 數據采集的中斷處理流程圖

無線傳輸方式的比較

1 藍牙通信

藍牙技術是一種采用微波技術取代傳統網絡中錯綜復雜的連接電纜實現固定設備和可移動設備的互聯而建立起來的特殊的短程無線通信，它具有靈活、快速、抗干擾能力強等優點，而且不限制監控設備的具體位置，使其在社會各個領域特別是監控領域有很廣泛的應用。

藍牙工作在2.4GHz，對于這一頻率在礦井中的傳輸，許多學者已經進行了多次實驗，實驗表明，100dBm的功率可以有效地傳輸100m，同時空間電磁波對通信的干擾很小，不影響通信質量。[2]同時，藍牙技術可在有效范圍內透過障礙物進行連接，而且沒有方向要求，能夠實現點對多點的通信，組網方便。

其缺點在于：傳輸速率不高（最高為1Mbps）、安全性不高。

2 紅外數據傳輸

紅外通信技術是目前在世界范圍內廣泛使用的一種無線連接技術，現已被眾多的硬件和軟件平臺所支持。它主要通過數據電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換來實現無線的數據收發，是一種點對點的數據傳輸協議。

其優點在于：具有小角度（30度錐角以內）、短距離、點對點直線數據傳輸；保密性好；傳輸速率較高可達16Mbps。

缺點在于其通信距離短（0~1m）；通信過程中不能移動；遇到障礙物時，通信會中斷；只能點對點傳輸，因此功能單一、擴展性差。

3 射頻技術

射頻技術（RF，Radio Frequency）是一種無線電通信技術，其利用電磁波為載波來傳輸信息，它是一種在一個區域范圍內的任何地方，在各種電子設備之間實現無線通信的開放性技術工業標準。

射頻技術使用幾個特定頻率中的一個頻率傳輸數據，相鄰網絡使用不同的頻率。目前使用的射頻芯片大多工作在433/868/915/2400MHz頻段，工作時，在MCU的控制下，通過無線射頻收發芯片將數據直接進行數據傳輸。

射頻技術在2.4GHz頻段的數據傳輸速率為250kbit/s，在915MHz為40kbit/s，在868MHz頻段為20kbit/s。有效傳輸范圍為10~75m，可以實現點到多點的傳輸。功耗和成本都相對藍牙較低。

4 GPRS通信技術

基于現有無線網絡實現傳輸點移動同時數據的遠距離傳輸，就是利用現有移動運營商已經建立好的覆蓋全國的無線網絡，這種傳輸方式具有方便、靈活、穩定、傳輸距離遠、不受地點限制、價格適中等特點。

GPRS優點在于：數據傳輸的可靠性有較高的保障；從遠端到管理中心的傳輸延時小，適于實時信息傳輸；通信速率高，最高理論速率可達到171.2kbps。其缺點在于：管理中心的GPRS接入方式相對復雜，基本不可以采用低成本的用戶終端方式接入，遠程通信終端的成本相對較高[5]。

綜上所述，各種無線設備都有各自的優劣，都有其廣泛的用途，但適合煤礦井下惡劣的工作環境，要求抗干擾能力強，穿透能力強，傳輸距離盡可能的遠。因此我們考慮采用工作頻率為2.4GHz的無線射頻技術，通過無線中繼的方式來實現遠距離傳輸。

總結

本文針對目前煤礦壓力檢測系統存在的問題，提出了對頂板壓力的智能采集和無線傳輸方案，并對煤礦頂板壓力智能采集裝置進行了硬件和軟件設計，同時將目前廣泛使用的各種無線傳輸方式進行了比較，指出了各自的優劣，最后決定采用無線射頻技術加中繼的方式來實現井下壓力數據的無線傳輸。

（編自《電氣技術》，作者為衛斌峰、崔建明。）