杨 轩 1 ，唐 翔 2 ，汪泽洲 1 ，田传耕 2
（1.安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232000；2.徐州工程学院 信电工程学院，江苏 徐州 221111）
摘 要：围绕井下单体液压支柱，利用芯片 Z1000 和芯片 SH79F166 分别设计基于 ZigBee 无线传 感网络技术的无线通信模块和基于嵌入式技术的主控制模块，并设计了安全的电源电路模块。 通过现场测试，设计能满足数据采集的有效性和可靠性要求,功耗较低，达到信息监测的传输性 质高的水平，对井下液压支柱的压力值可以实现实时监测与报警，降低事故发生率，并能实际用 于井下安全生产。
关键词：单体液压支柱；实时监测；无线传感；压力节点；安全预警
根据工业发展需求对井下支护技术和设备进行 革新，伴随煤矿井下单体液压支柱较多使用，存在 液压支柱的事故率居高的问题[1]。由于国内煤矿开 采环境存在困难和维护设备成本较高，导致对单体 液压支柱不能实时测量和监测[2]。顶板状态存在斑 驳繁杂问题，一般只能通过测量液压支架压力来间 接监测，实现对顶板状态情况实时预警[3-5]。
ZigBee 无线通信网络与传统通信网络相比，具 有成本低，低功耗等特点。对于井下危险环境通信， 可采用 ZigBee 无线通信技术实现，可以有效解决支 柱间通信线路杂乱导致的有线传输问题与添加新监 测点存在难度较大等问题[6-11]。设计了一种可以实时 监测的本安型压力计节点，通过利用 ZigBee 无线通 信技术对井下液压支柱的压力值进行实时监测，了 解井下支柱使用情况，从而更早更及时地发现井下 支柱损坏情况，并及时进行更换。通过网关进行在 线监测液压支柱压力数值，进行预警，保障了井下液 压支柱在安全运行，在复杂的井下提供一个安全的 环境。
1 设计思路
设计的本安型压力监测节点可以对井下的支护 支柱进行压力的监测、汇集和传输[12]，可以实现支柱 定位[13]。无线传感网络中的终端模块装置包括单片 SH79TF166 和 Z1000 控制器模块、电池控制模块、压 力传感器、信号接收模块，主控制器使用单片机 SH79TF166 和 Z1000 模块进行对簇内多个无线监测 节点进行所检测的支柱的压力值进行汇总和分析， 对过压和欠压进行实时监测，并可以将数据传送给 网关节点[13]，可以有效地延长对网络的接收和发送 范围，以达到快速方便的效果[14]，压力无线监测节点模块构成如图 1。
图 1 压力无线监测节点模块构成
2 硬件设计
2.1 电源电路
电路的电源是用容量为 3 400 mA、电压为 3.6 V 的本安型防爆电池，为保持安全性和降低干扰噪 声对了装置的影响且保持电压稳定，添加了保险 SMD1206，SMD1206 为自恢复性保险丝，提高了装置 的安全性。使用整流管 ISR154-400，利用二级管的 单向导通特性，从而可以将负极性电信号滤掉，减 少电源对电路信号的干扰。电源电路如图 2。
图 2 电源电路
2.2 传感器放大电路
传感器放大电路由传感器前端放大电路和后端 滤波再放大电路 2 部分组成。
1）传感器前端放大电路。力传感器及前端放大 电路如图 3。系统前端连接的压力传感器为 PC10 型 高精度硅压力传感器。压力传感器传出来的信号比 较微弱，因此放置了芯片 AD620 作为仪表放大器， 芯片 AD620 具有精度高，噪声低，连接 1 个电阻就 可以将放大增益设置范围 0～1 000。从压力传感器 信号传出来后，进入 AD620 进行放大处理，设置增 益 G=100，所以 R16=500 Ω。从引脚 7 进入后端滤波 放大电路[14]。
2）后端滤波再放大电路。后端滤波放大电路如 图 4。井下环境十分复杂，具有各种复杂的干扰信 号。对传感器传出来的信号进行滤波十分重要。本 电 路 选 择 MAX267 作 为 滤 波 芯 片 和 MAX4471 作 为放大芯片。芯片 MAX267 具有使用灵活，内部具 有 2 个二阶开关电容带通滤波器，可以不使用任何 外接器件，就可以滤波。
图 3 压力传感器及前端放大电路
芯片 MAX4471 具有功耗 低，补偿增益和共模抑制稳定的特点，符合电路具 有放大和稳定的要求。从前段放大电路传出来的混 合信号,首先芯片 AD620 的 OUTPUT 引脚的信号从 MAX267 的 INA 引脚输入，进行滤波，去掉信号中的 直流成分和电源以及井下电磁的高频噪声和工频干 扰。然后从 BPA 引脚与放大器 MAX4471 相连接。进 行后级放大。最后通过 OUTB 输出引脚输出信号 AD_Senor，与单片机控制电路连接。
图 4 后端滤波放大电路
2.3 控制电路
控制电路如图 5。 压力计无线检测模块安装在井下液压支柱上， 需要在井下复杂的环境下将数据实时存储在芯片的 缓存中。采用读写的芯片是 SH79TF166 芯片，内存 为 256 KB，是非接触高集成高速率芯片。通过利用 增强型 MOSFET 模块 SI2300，作为开关管。电源电 流可以稳定的进入单片机中，不会发生像三极管做 开关时的因基极电流引起的电荷存储效应。
图 5 控制电路图
从前端电路经过放大滤波后的信号 AD_Senor 输入到单片机 SH79F166 芯片的模拟端 AN3，经模 数转换，得到数字信号，以单片机 SH79F166 为核心 控制电路，经过单片机的处理，将数据存入缓存中。 处理后的压力数据通过连接数码管数值显示出来， 如果数值超过额定压力数值，通过 LED 灯进行报 警。经过验证，正确的数据通过 AD_CELL 串口发送 信号给无线发送电路。
2.4 无线电路
无线电路如图 6。ZigBee 电路系统使用了 Z1000 芯片，Z1000 芯片，可以实现简单的 8051 的作用，易 于设计电路。通过单片机处理后的数据引脚连接到 Z1000 的 P0_4 口然后通过通信协议栈 BasicRF 进行 ZigBee 传输，通过天线传输出去[15-16]，最后将数据发 送到网关节点并进行采集。
3 软件设计
节点软件通过 IAR 开发环境和 KEIL 开发环 境进行。利用 C 语言设计了一种界面。控制电路设 计流程图如图 7。无线电路设计流程图如图 8。
图 8 无线电路设计流程图
井下液压支柱无线安全监测节点主要用于对 数据进行采集和处理并利用广播的形式将数据发送 给网关节点。首先要对单片机等各个硬件进行初始 化的工作，当工作稳定后，将数据进行采集处理，进 行合理有效的判断。然后将正确数据发送给已经进 行初始化完成的无线通信模块 Z1000。最后将自己 的信标发送给网关节点，等待网关节点节点的回应。 如果网关节点同意请求，则会被分配 1 个网络地址。 这样无线压力节点就加入了网络中，可以利用这个网络进行数据传输[17-18]。
4 试验结果
无线压力监测节点设计工作重点是压力测量的 准确性和运行功耗 2 大标准[19]。
1)无线压力节点压力准确性测试。装置安装在 液压支柱上，不能更换电池，所以电池的电量消耗 异常关键，运行电路功率决定系统监测时间的长 短。测量的压力数值的准确性决定这个装置是否可 以实际用于井下。通过压力计测得压力数值为 0、9、 15.3、21.2、26.1、31、37.1、42.1、49.3 MPa,通过无线检 测节点得到的压力数值为 0、9、15、21、31、37、42、49 MPa。通过数据对比，无线压力计设计的压力数值误 差较低，准确性得以体现。
2)无线压力节点功耗测试。压力无线检测节点 的运行功耗测试是将 1 个大功率 10 Ω 的电阻串联 进电路中，并测量该电阻上的电压变化来进行。将 系统的工作时钟周期提高 1 倍，并通过修改底层代 码调用，经测试这样是传感节点的功耗约为原来的 一半。通过将万用表串联进压力无线检测节点工作 电路，测得若每隔 5 s 发送给网关节点 1 次数据的 情况下，平均的电流约为 0.2 mA。在选用 3 节 3 400 mA 防爆电池并联供电的情况下，预计至少可以工 作5 年。
5 结 语
设 计 了 一 种 以 SH79F166 和 Z1000 为 主 控 芯 片，通过 ZigBee 进行数据传输的支柱无线安全监测 节点。通过调整系统工作时钟周期和底层调用，降 低对硬件使用功耗的程度，延长了检测节点的使用 寿命。通过验证，该装置可以减轻对井下液压支柱 压力测量工作量，适用于井下特殊环境，保证在较 高的安全性之下具有很好地稳定性，可以对井下液 压支柱安全预警。
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，乾坤矿装的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，乾坤矿装不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
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