基于无线传感器网络的煤矿顶板压力监测系统
2.4 天线
CC2430在2.4 GHz频段上使用直接序列扩展频谱(DSSS)来扩展输出功率，从而使通信链路具有很强的抗干扰性，即使在嘈杂的环境中也能运行。CC2430可使用不同类型的天线。常用的是偶极子的差分天线，λ/2偶极子天线长度计算公式为：L=12 250/f。其中f的单位是MHz，长度单位是cm。2.45 GHz的天线必须是5.8 cm，每边为2.9 cm。如果用于短距离通信也可以应用单极子、螺旋或环状天线。在硬件设计中，须使用双面印刷电路板，板面必须很好地铺地。布置元件时应尽可能靠近，外接元件越小越好。元件接地时，需单独接地，切勿星状接地，形成环流，影响系统的运行。
3 汇聚节点
汇聚节点[6]（如图1所示）采用无线接收、有线发送的方式。汇聚节点的主控制芯片为CC2430。CC2430无线接收各终端节点发送过来的矿井顶板地址数据和顶板压力数据，将其按相应的地址号存储在相应的地址单元。由于汇聚节点接收的数据量较大,本系统采用AT24C256作为数据存储器，控制图与图3相似，不再重复给出。汇聚节点将接收到的地址数据和顶板压力数据整理打包，通过USB口将数据发送至传输接口。CH341T是一个USB总线的转接芯片，通过USB总线提供串口、打印口或者并口。在串口方式下，CH341T提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM 联络信号，用于将普通的串口设备直接升级到USB 总线。在并口方式下，CH341T提供了EPP 方式或者MEM方式的8 bit并行接口，用于在不需要单片机/DSP/MCU 的环境下,直接输入输出数据。CH341T与CC2430接口图如图4所示。图4中P0_3设置为TXD，P0_2设置为RXD，因此，CC2430控制寄存器需作相应的设置。具体设置为：外设控制寄存器PERCFG=XXXXXXX0；输入配置寄存器ADCCFG=XXXX00X1；端口功能选择器P0SEL=XXXX111。
4 传输接口
传输接口[6-7]安装在地面监测站和无线传感网络汇聚节点之间，将汇聚节点传输来的煤矿顶板的地址数据和顶板压力数据通过USB口传输至上位管理主机中。由于传输接口与地面监测站之间距离较远，因此为了确保传输数据的正确性，需要对USB通信加中继，提高其传输能力。同时，传输接口对接收到数据进行处理，当接收到某一地址的顶板压力数据接近或超过预先设置的数据时，发出声光报警。因此，从汇聚节点传输的USB信号需进行增强和分路,如图5所示。AU9254可实现USB 1路到4路的分路,同时可以从RJ-45口实现远距离传输。
传输接口采用C8051F320为主控芯片对接收到的数据进行处理。C8051F320系列器件使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发，CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试。C8051F320的USB接口符合USB2.0版规范，可以实现全速(12 Mb/s)或低速(1.5 Mb/s)的串行通信。C8051F320与USB接口图如图6所示。
5 地面中心站
地面中心站接收由传输接口通过USB传输来的煤矿顶板的地址数据和顶板压力数据，对数据进行相应规划和处理，在监控中心显示屏中实时显示煤矿顶板地址以及相应地址的顶板压力数据。在地面中心站中编制相应的管理软件，将接收的数据和系统数据存储在数据库中，通过鼠标点击某一地址，就可以查阅该地址处顶板压力的历史数据曲线和安全数据，及时发出事故报警橙色信息，为预防顶板冒顶事故的发生提供科学的依据。
本文设计了一种基于无线传感器网络的矿井顶板压力监测控制系统，并设计了无线传感器网络节点顶板压力检测、无线传输电路。通过无线传感器网络可实现对矿井下各顶板压力的实时监测，为预防顶板冒顶事故的发生提供科学的依据。同时本系统还可以添加相应的传感器监测井下作业区的温湿度、氧含量、有毒有害气体含量、粉尘含量等多种环境参数的监测，这将为煤矿及其相关行业的安全生产提供可靠的分析和保障，具有重大的经济及社会意义。
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