矿井老顶来压监测系统的研制

论文摘要

顶板事故是矿井开采过程中的常见事故,对顶板的监测,主要是对顶板压力的监测。实践证明,老顶初次来压、老顶周期来压前后易发生顶板事故。因此,加强老顶来压的监测对煤矿安全开采具有十分重要的意义。在矿井中,随着采掘面的推进,监测点也要不断拓展,而井下布线困难,有线监测方式不能很好的满足需求。因此,需要一种无线监测系统来有效地监测矿井压力。针对上述需求,本文根据无线传感器网络的基本理论,利用ZigBee无线通信技术设计了一个老顶来压监测系统。该系统的基本组成是无线传感器节点,节点为ZigBee技术规范下的全功能设备,具有协调器、路由及终端节点的功能。节点在井下布置后,可以通过自组织的方式自动组网,能够方便有效的监测矿井压力,并通过中继的方式将数据传输到有线接口,最终到达井上控制台,使工作人员可以及时的了解井下压力情况并做出相应判断。在了解国内外相关资料的基础上,本文采用建模的方式对老顶来压进行了分析,为压力传感器的设计提供理论支持。进而分析了矿井无线通信环境,对比常用的无线通信技术后,选择ZigBee作为本系统的无线通信解决方案。并对组网过程进行了阐述,对系统能耗、稳定性进行了分析,然后进行了压力传感器的设计及节点软硬件的具体设计工作。最后,本文对系统进行了仿真和实际测试,仿真主要是针对组网的有关特性展开的,包括组网过程、组网时间及节点感测率等。测试包括两个方面,即传感器的标定和节点硬件的调试。节点硬件的调试主要测试了数据传输的准确性及不同连接质量下的误码率。通过分析仿真及测试数据,得出了系统工作的相关参数,对实际应用具有参考价值,也证明了本系统可以有效的监测矿井老顶来压现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的目的与意义
• 1.3 国内外矿井监测系统的研究现状
• 1.4 无线传感器网络概述及研究现状
• 1.4.1 无线传感器网络概述及特点
• 1.4.2 国内外无线传感器网络的发展与现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 系统的总体分析与设计
• 2.1 系统总体设计
• 2.1.1 系统的设计原则
• 2.1.2 系统关键技术
• 2.1.3 节点结构总体设计
• 2.1.4 系统网络结构总体设计
• 2.2 老顶来压特性分析
• 2.2.1 老顶来压概述
• 2.2.2 老顶来压力学建模
• 2.2.3 液压支架初撑力的确定
• 2.3 系统能耗分析
• 2.3.1 单个节点的能耗分析
• 2.3.2 系统网络的能耗分析
• 2.4 系统无线通信方式的选择
• 2.4.1 矿井无线传输的特点
• 2.4.2 常用无线通信技术
• 2.4.3 IEEE 802.15.4/ZigBee 协议
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统网络通信技术研究
• 3.1 系统网络拓扑结构
• 3.2 路由实现
• 3.2.1 路由算法
• 3.2.2 路由维护
• 3.3 系统组网研究
• 3.3.1 网络参数的设定
• 3.3.2 通信原语
• 3.3.3 信道扫描
• 3.3.4 PAN网络的建立
• 3.3.5 建立网络关联
• 3.4 数据传输机制
• 3.4.1 CSMA-CA机制
• 3.4.2 子节点向协调器传输数据
• 3.4.3 协调器向子节点传输数据
• 3.4.4 帧结构
• 3.5 组网特性仿真
• 3.5.1 组网时间仿真
• 3.5.2 节点感测率仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 老顶来压监测系统软硬件的实现
• 4.1 压力传感器的设计
• 4.1.1 常用矿井压力传感器
• 4.1.2 传感器的结构设计
• 4.1.3 传感器节点的布置
• 4.1.4 传感器参数的测定
• 4.2 系统节点电路设计
• 4.2.1 主控器及射频芯片的选型
• 4.2.2 电源电路设计
• 4.2.3 晶振电路设计
• 4.2.4 外置天线选配
• 4.2.5 信号处理电路设计
• 4.3 系统抗干扰设计
• 4.3.1 煤矿井下干扰源
• 4.3.2 系统抗干扰措施
• 4.4 系统软件设计
• 4.4.1 节点组网程序流程
• 4.4.2 数据传输软件设计
• 4.5 系统调试
• 4.5.1 网络数据传输测试
• 4.5.2 通信性能测试
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢