基于ZigBee无线顶板离层仪监测网络

摘要

顶板离层仪是一种监测煤矿矿井底部顶板围岩移动的专用监测仪器。矿井工作技术人员和监测人员通过观察顶板离层仪显示的锚杆长度范围内和锚杆同范围外的顶板岩层的离层情况，为矿井支护安全技术提供了精确的锚杆长度和抗拉强度，也对所使用锚杆的合理性、经济性提供了必要的科学依据。煤矿工作人员通过现场经验以及多年来对各类锚网巷道进行全面的顶板围岩状态观测，普遍认识到顶板离层观测对锚网巷道的支护、改革起到一定的指导和警示作用。根据对顶板离层仪观测到的数据分析，得出不同的地质条件、岩性变化等情况，总结出了锚网巷道锚网范围内离层量，及时采取其它有效支护措施，防止顶板塌落事故的发生，确保安全生产。
　　目前国内煤矿井下顶板离层仪主要有机械式直读离层仪和数字式顶板离层仪两大类，数字式顶板离层仪应用正在逐步普及，但机械式直读离层仪位移指示仪仍是目前应用最广的顶板离层仪测量装置。
　　ZigBee是一种新兴的无线网络技术，主要特点是低功耗、低成本、支持大容量网络，快速、可靠、安全，符合无线传感器网络对通信协议的要求。现今大部分煤矿中采用的顶板离层仪需要人工抄数，增加了人为误差，且投入大量人力物力，因此采用ZigBee无线通信技术监测顶板位移变化使整个系统安装成本降低，大大降低了误差，同时具有巨大的市场。
　　本文通过比较常用的无线通信技术，以及对各种无线技术进行可行性论证，设计了一种网络式顶板离层仪监测系统。该系统采用ZigBee技术和485总线自动切换的方式进行数据传输，并利用该巷道各个测量点处的顶板离层仪、巷道入口处的分站以及地面控制中心的计算机构成了网络式顶板离层仪监测系统;同时顶板离层仪采用分段式数字电容传感器代替位移传感器。通过山西省惠阳煤矿的现场测试，结果表明:通过分站人机交互界面可对该矿井巷道的顶板离层状况进行实时监测，实现了顶板离层监测的自动化和网络化;分段式数字电容传感器降低了生产成本，提高了产品整体测量精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题提出的背景

1．2 研究现状

1．2．1 机械式直读离层位移指示仪

1．2．2 数字式顶板离层仪

1．3 本课题的主要内容

1．4 本章小结

第二章 无线传感器网络

2．1 无线传感器网络的起源与发展

2．2 无线传感器网络特点

2．3 无线传感器网络设计

2．4 无线通信技术比较

2．5 ZigBee技术简介

2．6 ZigBee协议体系结构

2．7 ZigBee发展前景

2．8 本章小结

第三章 无线传感网络设计

3．1 无线传感网络组网结构

3．2 顶板离层仪技术方案

3．3 顶板离层仪技术指标

3．4 分站技术方案

3．5 分站技术指标

3．6 可行性论证

3．7 系统开发环境

3．7．1 嵌入式集成开发环境

3．7．2 Z-Stack协议栈

3．8 本章小结

第四章 无线传感网络硬件设计

4．1 顶板离层仪硬件总体结构

4．1．1 电源模块设计

4．1．2 数码显示驱动电路

4．1．3 射频电路

4．2 顶板离层仪传感器硬件电路设计

4．2．1 电容位移传感器工作原理

5．2．2 分段式电容位移传感器原理

4．3 分站硬件总体结构

4．3．1 电源模块设计

4．3．2 USB模块设计

4．4 本章小结

第五章 无线传感网络软件设计

5．1 无线传感网络通信协议

5．2 顶板离层仪软件设计

5．2．1 顶板离层仪工作流程设计

5．2．2 顶板离层仪应答机制设计

5．2．3 顶板离层仪数据存储软件设计

5．3 分站软件设计

5．3．1 分站软件总体架构

5．3．2 分站传输及存储软件设计

5．4 井上监测软件设计

5．5 本章小结

第六章 实验验证

6．1 功耗实验

6．2 数据传输距离实验

6．3 电容传感器测试

6．4 系统测试

6．5 本章小结

第七章 总结

参考文献

致谢

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