基于ZigBee的煤矿巷道顶板应力监测系统设计.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文件者签名曼二磊 日期丝匿．么，孑 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 。 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名要乙二红一一一日期珈止。 Z 导师签名』幺琴卜日期‘厶K 二乞j L 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 基于Z i g B e e 的煤矿巷道顶板应力监测系统设计 摘要 顶板监测是煤矿安全生产的重要环节，其数据的准确、及时、可靠既 关系到当前的安全生产，也关系到今后的支护设计，针对当前项板监测中 实施复杂，单机功耗较大等问题，本文设计了基于Z i g B e e 无线通信网络的 煤矿巷道顶板应力监测系统。 本系统由测力锚杆，锚杆应力计、通信分站和上位机四个部分组成。 测力锚杆在一种专用锚杆对应的位置上加工一对直槽，应变片分别粘贴到 两个直槽中对应的位置，一组对应的应变片构成一个全桥，在测力锚杆上 均匀的分布着两组应变片。应变桥路的输出信号送到应力计，应力计接收 到这些模拟量信号，先进行放大、加转换及数据处理，并将应力数据以 点对点接力的方式 即应力计将接收到的应力数据和自己的应力数据打包 上传 上传到通信分站，也可根据需要进行就地显示。应力计与应力计及 与通信分站之间采用Z i g B e e 无线通信，在无法进行Z i g B e e 无线通信的区 域，可以通过4 8 5 接口进行串行通信。应力计采用深度睡眠．定时唤醒的同 步机制，减少系统功耗。通信分站的作用是数据的存储．转发，将来自应力 计的数据通过以太网或4 8 5 传输到上位机。通信分站还可以通过人机交互 的模式对所有通信应力计及其管理的其他设备进行控制管理和数据查询， 包括显示数据、存储数据、查询数据、系统设置等功能。上位机具有控制 管理和查询所有分站、导出数据报表、实时动态显示顶板应力情况、查看 历史曲线、数据备份以及报警记录等功能。系统中工作于井下的应力计， 系统硬件设计都采取本安措施来满足矿用 煤安 的本安要求。 煤科院重庆分院测试表明，系统及各部分满足要求。现场运行表明， 本系统运行稳定可靠，实现了设计目标。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键字顶板、应力监测、Z i g B e e 、深度睡眠．定时唤醒、时间同步 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 D E S I G NO FM O N I T O I U N GS Y S T E MB A S E D0 N Z I G B E EF O RM I N ER O A D W r A YR 0 0 FS T R E S S A BS T R A C T M o n i t o r i n gi s a ni m p o r t a n tp a no ft h er o o fc o a lm i n ep r o d u c t i o ns a f b 劬 a c c u r a c y ，t i m e l i n e s sa n dr e l i a b i l i t ，o fi t sd a t aw h i c hi sr e l a t e dt ot h ec u l l r e n t p r o d u c t i o ns a f I e 坝b u ta l s ot ot h ed e s i g no fs u p p o r t i n g 如t u r e ．I nt h el i 曲to f p r o b l e m so fI m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i 以 a n dl a 唱e rs t a n d a l o n e p o w e ri n c u r r e n tr o o fm o n i t o r i n g ，t h ep 印e rd e s i g n so fm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n Z i g B e ef o rc o a lr o a d w a yr o o f T h es y s t e mc o n s i s t so ff o u rp a r t sd y n 锄o m e t e rb o l t ，b o l ts t r e s s m e t e r ， c o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o na n dt h eh o S t c o m p u t e r ． B o l td y n a m o m e t e ri s p r o c e s s i n gap a i ro fs t r a i g h ts l o ti nas p e c i a lb o l tc o r r e s p o n d i n gp o s i t i o n ．S t r a i n g a u g e sa r ep a s t e dt ot h ec o r r e s p o n d i n gp o s i t i o ni nt w os t r a i 曲tg r o o v e ．A c o r r e s p o n d i n gs e to fs t r a i ng a u g e sc o n s t i t u t ea 如l lb r i d g e ．1 1 1 e 帆og r o u p so f s t r a i ng a u g ed i s 砸b u t eu n i f o r m l yi nt h eb o l td y n a m o m e t e r ．T h eo u t p u ts i g n a lo f g a u g eb r i d g ei ss e n tt ot h es t r a i ng a u g e s ，s t r a i ng a u g e sr e c e i V e st h e s ea n a l o g s i g n a l s ，．f i r s ta m p l i f i e d ，A ／Dc o n V e r s i o na n dd a t ap r o c e s s i n g ，a n ds t 舱s sd a t a r e l a yp o i n tt op o i n tm a n n e r t h es t r a i ng a u g ew i l lb er e c e i v e ds t r e s sd a t aa n d t h e i ro w ns t r e s sd a t ap a c k a g eo n c eu p l o a d e d u p l o a d e dt ot h ec o m m u n i c a t i o n s s u b s t a t i o n ，b u ta l s of o rl o c a ld i s p l a ya sn e e d e d ．Z i g B e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 i su s e db e 觚e e nt h es t r a i ng a u g ea n dc o 舢m u n i c a t i o ns u b s t a t i o na n da m o n gt h e s t a i ng a u g e s ．I nt h ea r e ao fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt oZ i g B e e ，c a nb ec a r r i e d o u tb y4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ．S t r a i ng a u g e su s i n ga d e 印s l e e p w a k et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m st or e d u c es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o n ． T h er 0 1 eo fc o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o ni st os t o r ed a t a - f o r v v a r d i n gd a t af 而m s t r a i l lg a u g e sa r e 仃a n s m i t t e dt ot h eh o s tc o m p u t e rt h r o u 曲E t h e m e to r4 8 5 ． C o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o nc a na l s ob eu s e dt oc o n t r o lm a n a g e m e n ta n dd a t a q u e r i e st oo t h e rd e V i c e sa n dm a n a g ea l l c o m m u n i c a t i o n st h r o u g ht h es t r a i n g a u g em o d e lo fh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，i n c l u d i n gt h ed i s p l a yo fd a t a ，s t o r e d a t a ，q u e 巧d a t a ，s y s t e ms e t t i n g s ，a n do t h e rm n c t i o n s ．P Ch a st h ec o n t r o la n d m a n a g e m e n t ， a 1 1 d q u e 巧 a l ls u b s t a t i o n s ， e x p o r t d a t a r 印o r t i n g ， r e a l t i m e d y n a m i cd i s p l a yo fr o o fs 臼r e s ss i t u a t i o n ，s e et h eh i s t o r i c a lc u r v e ，d a t ab a c k u p a n da l a 咖l o g g i n g 如n c t i o n s ．T h es y s t e mw o r l si nu n d e 唱r o u n ds t r e s sm e t e r ，t h e s y s t e mh a r d w a r ed e s i g no ft h es a f b t ym e a s u r e sh a V eb e e nt a k e nt o m e e tt h e r e q u i r e m e n t so f t h es a 是t ro fm i n e M AC e n t e r ． C o a lR e s e a r c hI n s t i t u t eC h o n g q i n gB m c ho ft e s t ss h o wm a tt h es y s t e m m e e t st h er e q u i r e m e n t so fe a c hp a r t ．T h ef i e l do p e r a t i o ns h o w st h a t ，t h es y s t e m i ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，h a sa c h i e V e dt h ed e s i g ng o a l ． K E YW O R D S r o o f ，s t r e s sm o n i t o r i n g ，Z i g B e e ，d e e ps l e e p w a k et i m i n g ，t i m e s y n c h m n i z a t i o n I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 本课题研究的目的及内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 第二章相关技术资料介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 电阻应变片介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2z i g B e e 无线通信技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．2 ．1Z i g B e e 技术简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 ．2Z i g B e e 协议体系结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 主要芯片介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 ．1 放大电路和A ／D 转换电路的芯片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 ．2 锚杆应力计主控芯片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．3 ．3 通信分站主控芯片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 C ／O S ．I I 操作系统与u C G U I 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．5 系统开发环境介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．5 ．1Z i g B e e 开发软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．5 ．2S T M 3 2 开发软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 第三章系统总体方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 系统的组成与结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．2 锚杆应力计技术设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 3 ．3 锚杆应力计技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．4 通信分站技术设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．5 通信分站技术指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 3 ．6 方案可行性论证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四章系统硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．1 测力锚杆硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 4 ．1 ．1 测力锚杆结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 4 ．1 ．2 粘贴和连接应变片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．1 ．3 集线盒结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．1 ．4 测力锚杆的线性验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 。2 锚杆应力计硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．2 ．1 锚杆应力计整体硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 ．2 放大和A ／D 转换电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．3 数码管显示驱动电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．4 射频电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 4 ．2 ．5 电源和时钟电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．64 8 5 串行通信接口电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．7 拨码开关电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．3 通信分站的硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．3 ．1 通信分站硬件结构图设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．3 ．2U S B 接口电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 4 ．3 ．3 以太网接口电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ．4 电源模块设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．3 ．5 闪存⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．4 本安设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 第五章系统软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 ．1 网络通信软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 ．1z i g B e e 通信软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 5 ．1 ．2 无线通讯数据包格式设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．1 ．3 网络通信应答机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 锚杆应力计软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 6 5 ．2 ．1 锚杆应力计初始化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．2 ．2 数据采集模块设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．3 通信方式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．4 锚杆应力计主流程设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．3 通信分站软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．3 ．1 通信分站软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 ．2 通信分站控制功能软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 。3 ．3 人机交互界面设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．4 上位机监测软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 第六章系统性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1 测力锚杆的标定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 6 ．3 锚杆应力计功耗测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 6 ．4Z i g B e e 无线网络通信测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．5 系统测试结果⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 第七章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 7 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 攻读学位期间发表的学术论文期刊目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 V I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表目录 图2 ．1 电阻应变片结构图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 F i g ．2 1R e s i s t a n c es t r a i ng a u g e c h a n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 图2 ．2Z i g B e e 协议的体系结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 F i g ．2 2n l ea r c h i t e c t u r eo f t h eZ 适B e ep r o t o c o l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 图2 ．3 芯片L M P 9 0 1 0 0 的引脚图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 F i g ．2 - 3L M P 9 0 1 0 0c h i pp i nm 印⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1O 图2 ．4C C 2 5 3 0 内部功能模块图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 F i g ．2 - 4C C 2 5 3 0i n t e m a l 如n c t i o n a lb l o c kd i a g r 锄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．12 图3 ．1 系统总体结构图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l7 F 培3 1T h eo V e r a J ls y s t e ms t m c t u r ed i a g r 锄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 图4 ．1 测力锚杆结构图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 F i g ．4 1D y n 锄o m e t e ra 1 1 c h o rc h a r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 图4 ．2 锚杆横截面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 F i g ．4 - 2B o l tt h ec r o s s s e c t i o n a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 图4 3 全桥测量电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 F i g ．4 3F u l lb r i d g em e a s u r e m e n tc i r c u i t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 图4 4 集线盒的三视图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 F 培4 4T h f e e V i e w so f C o l l e c t i o nb o x ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 图4 ．5 集线盒样品图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 F i g ．4 5C o l l e c t i o nb o xs 加1 1 p l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 图4 ．6 航空插头连接线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 F i g ．4 6A - V i a t i o np l u gc a b l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 图4 7 测量电路连接图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 F i g ．4 7M e a s u r e m e n tc i r c u i tc o r m e c t i o nd i a 寥锄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 图4 ．8 航空插头连接图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 F i g ．4 8A V i a t i o np l u gc o n n e c t i o nd i a g r a m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 图4 9 输入端子连接图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 I X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 F i g ．4 9I n p u tt e n l l i n a lc o n n e c t i o nd i a g r 锄⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 表4 。1 记录的压力和应变数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 T ’a b ．4 1R e c o r d e dp r e s s u r ea n ds t r a i nd a t a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 图4 ．1 0 应力和应变的关系曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 F i g ．4 1OS t r e s sa n ds t r a i nc u r V e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 图4 ．11 锚杆应力计硬件结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 F i g ．4 11B o l ts t r e s sm e t e rh a r d w a r es t l l J c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．2 7 图4 ．1 2 放大和A ／D 转换电路原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 F i g ．4 1 2T h ec i r c u i td i a g r 锄o f A m p l i f i c a t i o na n dA D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 图4 ．13 数码管显示电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 F i g ．4 1 3D i g i t a ld i s p l a yc i r c u i t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 图4 ．1 4 射频电路原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 F i g ．4 - 14I 强c i r c u i ts c h e m a t i c s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 图4 ．1 54 8 5 串行接口电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 F i g ．4 一l54 8 5s e r i a li n t e r f a C ec i r c u i t ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l 表4 ．2 通信方式设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 T 抽．4 - 2c o 珈m u n i c a t i o ns e t t i n g s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 图4 ．1 6 通信分站硬件结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 F i g ．4 1 6C o m m u l l i c a t i o ns u b s t a t i o nh a r d w a r es t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 图4 ．1 7U S B 接口电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 F 嘻4 17U S B i n t e r f a c ec i r c u i t ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 图4 ．18 以太网接口电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 F 培4 18E t h e m e ti n t e r f a c ec i r c u i t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 图4 。1 9 电源模块电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 F i g ．4 19P o w e rm o d u l ec i r c u i t ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 表4 ．3 电气间隙、爬电距离和间距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 T a b 4 - 3C 1 e a r a l l c e s ，c r e 印a g ed i s t a n c e sa n ds p a c i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 图4 。2 0I I 类电容电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 7 F i g ．4 2 0C l a S sI Ic 印a c i t o rc i r c u i t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 图4 2lI I C 类电容电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 F i g ．4 - 2 1C l a L s sI I Cc 印a c i t o rc i r c u i t ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 图5 1Z i g B e e 网络通信流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 F 适．5 1Z i g B e en e t w o r kc o m m 蚰i c a t i o nn o w c h a n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 图5 ．2 数据包分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 F i g ．5 - 2P a c k e tC l a s s i f i c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 图5 ．3 分站数据包格式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 F i g ．5 - 3S u b s t a t i o np a c k e tf ．o 珊a t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 图5 ．4 节点数据包格式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 F i g ．5 4N o d ep a c k e t 蠡引口n a t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 图5 ．5 应答数据包格式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 F i g ．5 - 5R e p l yp a c k e tf ．o n n a t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 图5 6 软件应答流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 F i g ．5 6S o R w a l ．er e s p o n s en o w c h 川⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 图5 ．7 锚杆应力计工作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 F i g ．5 7B o l ts t r e s sm e t e rw o r k n o w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 图5 ．8 通信分站主流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 F 睡5 8C o m m 砌c a t i o nS u b s t a t i o nn o w c h a n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 图5 ．9 通信分站控制流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 F 培5 9C o m m u n i c a t i o nS u b s t a t i o nC o n 仃o ln o w c h a n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 图5 ．1 0 通信分站主界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 F i g ．5 1 0C o m m u n i c a t i o nS u b s t a t i o nm a i ni m e r f a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 图5 ．1 1 系统设置界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 F i g ．5 1 1S y s t e mS e t t i n g si n t e r f a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 图5 ．1 2 监测软件主界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 F i g ．5 - 1 2M o n i t o r i n gs o R w a l ．ei n t e r f a c e ⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 图5 一l3 报警对话窗口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 F i g ．5 1 3 A 1 a 珊d i a l o gw i n d o w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 表6 一l 测力锚杆测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 T a b ．6 一lB o l td y n a m o m e t e rt e s tr e s u I t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 表6 2 测力锚杆的主要技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 1 ’a b ．6 2T h em a i nt e c l l I l i c a lp a r 啪e t e r so f b o l td y n 啪o m e t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 8 表6 ．3 电流和时间测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 ’I 、a b ．6 _ 3T h et e s tr e s u l t so f c u l l r e n ta n dt i m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 表6 4 无线信号的可靠传输距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 T a b ．6 - 4R e l i a b l e 诵r e l e s ss i g I l a lt r 锄s m i s s i o nd i S t a l l c