煤矿巷道本安型围岩超声位移监测系统的设计.pdf

分分 类类 号号 密密 级级 太原理工大学 硕 士 学 位 论 文 题 目 煤矿巷道本安型煤矿巷道本安型围岩围岩超声位移监测超声位移监测系统系统的的设计设计 英文并列题目 研究生姓名 任朝智 学 号 2013510242 专 业 信息与通信工程 研 究 方 向 嵌入式系统 导 师 姓 名 程永强 职 称 教授 学位授予单位太原理工大学 论文提交日期 2016/5 地 址 山西太原 太 原 理 工 大 学 The Design of Coal Mine Intrinsically-safe Ultrasonic Displacement Monitoring System of Surrounding Rock 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 煤矿巷道本安型围岩超声位移监测系统的设计 摘 要 在煤矿生产现场， 测量围岩位移距离多采用超声波测距法。 超声波测距 原理简单，设备成本低廉，设计简单易行。但是巷道中条件恶劣，噪音干扰 大， 极大影响了超声波设备的正常使用， 并且一般的超声波设备并不能达到 煤矿生产本质安全要求。 煤矿井下巷道布局复杂， 空间狭长， 需要架设数量 较多的监测设备。 传统监测设备体型较大， 且需要铺设大量线缆，给现场安 装和运转维护带来了极大不便。 针对一般围岩超声位移监测设备不符合国家有关规范,在井下使用受 环境因素影响大，以及有线传输方式带来的诸多不便，本文在研究WSN监 测系统的基础上，结合煤矿巷道实际情况，设计了一种基于STM32/CC2530 芯片的矿用本安型矿井巷道围岩位移监测系统,主要内容如下 1） 运用序列匹配原理， 设计了基于CC2530芯片的超声波围岩位移传感 器， 通过改进传统接收电路中的判决方式和采用分体式架构， 有效降低了超 声波传播过程中的能量损耗和衍射波对接受判决的干扰；设计了基于 STM32芯片的采集分站，可对传感器属性进行配置并提供基本常用功能。 2） 通过改进时间同步通信机制， 优化了煤矿井下ZigBee无线通信传输， 设计了适用于狭长巷道的线型通信方式， 并预留备用冗余通信链路， 大大提 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III 高其扩展性的同时，提高了监测的可靠性以及智能化程度。 3）根据国家标准GB3836.1-2010设计了符合要求的矿用本安型围岩位 移监测系统，可工作在煤矿井下等爆炸性环境中。 最后在实验室环境下对矿用本安型围岩超声位移监测系统进行测试。 模拟巷道环境进行了传感器超声位移测试，结果显示传感器在5m7m测量 范围内测量值波动不超过 4mm， 测量值输出稳定， 测量误差不大于 10mm， 且将最大测量距离提高到8m以上，优于同类型产品。搭建本安实验平台对 监测系统进行了电气性能试验、 电容测量试验和通讯性能测试， 结果表明基 本性能参数全部合格， 整个系统满足高效测量， 安全可靠， 监测便捷的要求, 达到设计目的。 经过重庆煤科院有关试验测试， 该监测系统符合国家相关规 范。部分设备已经开始生产并安装于煤矿现场。 关键词ZigBee，本安型，超声波，传感器 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV THE DESIGN OF COAL MINE INTRINSICALLY SAFE ULTRASONIC DISPLACEMENT MONITORING SYSTEM OF SURROUNDING ROCK ABSTRACT In the coal production site, the measurement of surrounding rock’s displacement usually use of the of ultrasonic ranging, which has the clearly principle, low cost and applied simply. However, noise echoes in the tunnel which greatly interferes the normal use of ultrasonic equipment, with low equipment quality in terms of security request. Another point is the traditional equipment generally not suitable for in an explosive atmosphere. Underground tunnel is so complex and long that there should set up plenty of monitors. Since traditional monitors have big sizes and complex requirements, they brought great inconvenience to the installation and operation. In order to solve the problem of equipment violating the provisions, equipment easily affected by the environment, and the inconvenience the cable bringing about, a brand new system comes out in this dissertation. The system， by researching the WSN, is based on STM32/CC2530 chip which is an intrinsically safe tunnel rock displacement monitoring system 1 Design the ultrasonic surrounding rock displacement sensor based on CC2530. With sequence matching principle, the improved receiving circuit and the split design, the energy loss and diffraction interfere can be effectively reduced 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V in the process at the same time. The design of the communication substation based on STM32, which can be configured for sensor properties and to provide the basic query function. 2 Monitoring system of underground adopts ZigBee wireless technology, and design the suitable communication mode for narrow tunnel linear, and set aside standby redundant communication links, drastically improves not only its distensibility, but also the reliability of monitoring and intelligent level. 3 Design the system that suits mining intrinsically safe tunnel rock displacement monitoring and can be used under exploding potentials. The last in the dissertation make some trials. Laboratory testing results show that the system can accurately measure distance ination, Volatility is not more than 4 mm，the error is not more than 10mm, and measurement range increased higher than 8m, which can effectively eliminate the impact of noise and meet general requirements of the use in coal tunnels. The whole system achieve efficient measurement, and safe, reliable, and monitoring friendly requirements. Chongqing Coal Science Academic doing the relevant test prove that the monitoring system in line with national standards. Some of the equipment has already been produced and installed in the mining site. Key words ZigBee; intrinsically-safe; ultrasonic; sensor 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 目录 第一章 绪论 ........................................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ................................................................................................................. 1 1.2 国内外相关技术研究现状和发展趋势 ............................................................... 2 1.3 论文内容及结构 ..................................................................................................... 3 第二章 超声波测距与 m 序列 .......................................................................................... 5 2.1 超声波测距 ............................................................................................................. 5 2.1.1 超声波 .......................................................................................................... 5 2.1.2 超声波的特点 .............................................................................................. 5 2.1.3 超声波在传播过程中的衰减 ..................................................................... 6 2.1.4 超声波测距及应用 ..................................................................................... 7 2.2 m 序列 ..................................................................................................................... 8 2.2.1 二进制随机序列 ......................................................................................... 8 2.2.2 伪随机序列 .................................................................................................. 9 2.2.3 m 序列 .......................................................................................................... 9 2.2.4 m 序列的产生 ............................................................................................. 9 2.2.5 m 序列信号的性质 ................................................................................... 12 2.2.6 m 序列的应用 ........................................................................................... 13 2.3 无线传感网络 ....................................................................................................... 15 2.4 ZigBee 和 CC2530 ................................................................................................ 16 2.5 总体设计方案 ....................................................................................................... 16 第三章 系统硬件设计 ..................................................................................................... 19 3.1 超声波围岩位移传感器 ...................................................................................... 20 3.1.1 随机数发生器 ............................................................................................ 22 3.1.2 超声波发射驱动电路 ............................................................................... 24 3.1.3 接收端放大电路与电平序列转换电路 .................................................. 25 3.1.4 电源模块 .................................................................................................... 26 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3.2 采集分站 ............................................................................................................... 26 3.2.1 以太网模块 ................................................................................................ 29 3.2.2 光电转换模块 ........................................................................................... 30 3.2.3 RS-485 模块 .............................................................................................. 31 3.3 硬件的本安设计 ................................................................................................... 32 第四章 系统程序设计 ..................................................................................................... 35 4.1 超声波传感器程序设计 ...................................................................................... 35 4.2 CC2530 通信节点 ................................................................................................ 36 4.2.1 通信传输方式的选择 ............................................................................... 36 4.2.2 CC2530 通信节点工作流程 .................................................................... 37 4.3 分站工作流程 ....................................................................................................... 38 4.4 采集分站功能设计 ............................................................................................... 38 4.4.1 开机界面 .................................................................................................... 38 4.4.2 初始化操作 ................................................................................................ 39 4.4.3 数据查询 .................................................................................................... 43 4.4.4 高级功能介绍 ........................................................................................... 43 第五章 实验测试及结果分析 ......................................................................................... 45 5.1 编码 ........................................................................................................................ 45 5.2 初步测试 ............................................................................................................... 46 5.3 传感器测距试验 ................................................................................................... 48 5.4 测距结果分析 ....................................................................................................... 49 5.5 本安试验方法 ....................................................................................................... 49 5.5.1 环境条件 .................................................................................................... 49 5.5.2 电气性能试验 ........................................................................................... 50 5.5.3 电容测量试验 ........................................................................................... 51 5.5.4 其他本安测试 ........................................................................................... 51 第六章 总结与展望 ......................................................................................................... 53 6.1 总结 ........................................................................................................................ 53 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 6.2 展望 ........................................................................................................................ 54 附录 ....................................................................................................................................... 55 1. 随机数生成表 ..................................................................................................... 55 参考文献 ............................................................................................................................... 57 致谢 ....................................................................................................................................... 61 在读期间发表的学术论文 .................................................................................................. 63 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 本课题来源为山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司的委托项目，项目囊括的大 部分设备均已取得中煤科工重庆煤科院的认证并开始生产使用。 在我国，无论是在生产领域，还是消费领域，煤炭均处于基础性地位，所占比重居 高不下，而且在可预见的未来,我国以煤炭能源为主的能源结构不会发生根本性的变化。 煤矿安全历来受到各级部门的高度重视，为了能给矿工营造一个安全的工作环境，我们 的政府官员、煤炭管理专家以及大大小小的煤炭从业人员，为之付出了艰辛的工作和探 索。搞好煤矿安全生产，选择可靠的人的同时，还需要可靠的设备。安全生产不可一日 懈怠，而技术创新也是永无止境，我们有必要精益求精，将更高更新更安全技术不断运 用于煤矿生产现场。 在实际煤矿生产现场中，测量围岩位移距离经常采用非接触式距离测量法，其中尤 以超声波测距法最为通行。 超声波测距原理简单， 成本低廉， 相关设备的设计简单易行。 但是巷道中情况复杂，围岩有的已经水泥浇筑加固，有的煤层裸露，加之噪音繁多，尤 其是在皮带传输巷道中，机械设备运转时会产生频率丰富的超声波。前期研发的围岩位 移监测仪采用一般的反射式超声波测距方式，测量失误大，且各种设备运转极大的干扰 了超声波设备的正常使用。 煤矿井下巷道绵延数公里，空间狭长，需要架设数量较多的监测设备。传统监测设 备体型较大，且需要铺设大量电线，给现场安装和运转维护带来了极大不便。 针对超声波设备在使用中受环境因素影响大，抗干扰能力差等缺陷,以及有线传输 方式带来的诸多不便，设计了一种基于 ZigBee 无线通信技术的超声波测距系统。论文 尝试寻找一种适合在煤炭生产领域运用的围岩位移监测设备。考虑到煤炭生产领域所要 求的安全性，本系统各部分应该是本质安全型或符合有关规范的。考虑到井下围岩的实 际情况，传感器测量的数据应该是尽可能精确的，以应对微小的变化和潜在的威胁。考 虑到设备会安装在具有丰富噪音的采煤运输巷道中，超声波测距装置还应该具有抗干扰 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 性，以便能在存在干扰源的情况下能够正常工作。 1.2 国内外相关技术研究现状和发展趋势 自 2000 年后，美国，俄罗斯，澳大利亚等先进采煤国家应用机电一体化和自动化 技术，实现了煤矿生产过程自动化和集约化生产，开发了全矿井综合自动化监控系统， 集语言、数据、图像于一体，融监测、控制、通信功能、无线接入技术于一网，兼容各 种专用监控系统功能，覆盖全矿井各生产和生产辅助环节，实现了对综采工作面和矿井 运输、通风、排水、供电等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监测和 控制。国内煤矿集团规模不一，实力差距大，使得我国煤炭行业的发展很不均衡，难以 制定一个适合绝大多数煤矿的监测标准。这也造成了设备供应商往往只针对某一特定监 控对象进行设计监测系统，并且各供应商之间缺乏有效的沟通，没有形成一个广泛统一 的标准，从而造成设备、配件互不通用，系统扩展和升级能力差。不仅如此，现有煤矿 安全监控以主从结构传输方式，无法构建多主冗余系统；现有的各种现场分站采用各自 现场总线的专用通信协议，很难相互兼容；系统可靠性低、实用性差，难以满足实时监 控的要求。现有监控软件因为是针对某一监控目的而开发，当需要不同生产过程或者多 种矿井数据时，用户难以通过简单的操作实现多方面监控的目的，数据的独立继而制约 了对数据的处理分析，当前大部分检测系统停留在对被监测量的实时采集、存储、超限 报警及断电和以曲线、图形和报表形式输出的水平，只能实现对数据的最基本处理和利 用。系统缺少远程智能故障诊断和远程维护功能，虽然系统可以对被监控对象进行实时 的监测，并在出现监测参数超标或异常时，对被监控对象进行控制，但是对所产生的故 障不能进行实时的诊断，需要靠人工进行分析、判断，常常由于维护滞后使系统不能正 常工作。这些都亟待科研人员和生产厂商共同做出努力以改变国内落后的现状。 超声波在传播中有良好的束射性和方向性， 易于产生， 成本低廉， 而且检测技术难 度相对较小，在军事、医疗及工业中得到广泛应用。各国针对超声波的相关技术给予了 充分的重视，研究方向多种多样。当前世界范围内，在超声波检测的相关领域都正朝着 数字化发展，数字式超声波检测仪器发展迅速。国际上对超声波检测数字化技术的研究 非常重视， 国外从事此类研究的科研院所或者从事生产的厂商所出产的超声波检测采集、 分析和成像处理系统的技术长期居于国际领先地位，高速超声波信号的采集在百兆赫兹 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 以上采样频段的技术业已得到广泛应用，大容量缓冲技术、信号的分析和成像处理等方 面水平也领先我国数年。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统， 研究与开发同时在企业与高校间如火如荼的展开了，但是在技术与应用上还有待进一步 模仿追赶。 绝大部分超声波测距采用的基本原理依然是是通过计算发射与接收到超声 波的时差，得到测量距离[2]。采用的主要硬件是单片机系列，而测量算法是计算超声波 渡越时间，多应用于像商场、住宅等这样要求不高的场合。但是，由于单片机芯片运算 能力较低，能够利用的算法也相对简陋，造成最后测量的结果精度与测量距离都不甚理 想，加上测量环境中杂波或者复杂反射面会干扰到超声波，这样一来提高测量的距离、 精度和抗干扰性成为超声波测距技术发展的主要方向。赵小川，罗庆生，韩宝玲教授于 2009 年文献[3]中提出将伪随机序列的自相关性应用于超声波测距，并且采用高性能、 低功耗的定点数字信号处理器 DSP 作为核心芯片，利用自相关函数理论准确得到渡越 时间， 进而计算出障碍物的距离。利用数字信号处理的优势，采用快速傅里叶变换FFT 判别算法，一定程度上提高了实时性[4]。 1.3 论文内容及结构 本文设计了一种基于 STM32/CC2530 的本安型煤矿巷道围岩超声位移监测系统, 尝试寻求一种合理的设计，以达到安全可靠，高效测量，监测便捷的要求。本系统中的 围岩位移传感器利用了 m 序列的优良特性和序列匹配思想，依据实际使用环境参照相 关本安设备设计规范， 并采用发射端与接收端分离的设计思路， 通信方式采用 ZigBee 无 线传输，以便协同数据采集分站和其他类型的传感器组成无线传感网（WSN） ，这为整 个系统后续添加其他类型的传感器，扩展功能和应用范围提供了便利，同时也提高了整 个监测系统的可靠性以及智能化程度。各章节的具体安排如下 第一章介绍课题背景，国内外相关技术研究现状和发展趋势。 第二章主要介绍本文所使用的两大理论支柱，即超声波测距和伪随机序列。第一节 在介绍超声波特点和传播特性的基础上，简要论述超声波测距和其他一些应用。第二节 主要讲述 m 序列， 也就是本文所使用的一种伪随机序列。 另外还简略的介绍本系统设计 的另外两项技术ZigBee 和 WSN。 第三章主要介绍围岩超声位移监测系统的系统硬件设计。重点介绍超声波围岩位移 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 传感器和硬件的本安设计，并介绍了采集分站。 第四章主要介绍围岩超声位移监测系统的程序设计，包括围岩位移传感器部分的程 序设计，CC2530 通信节点的程序设计以及采集分站的功能设计。 第五章阐述了对超声波围岩位移传感器的部分本安测试，对发射码元的编码过程， 以及围岩位移监测系统的测距测试和结果分析。 第六章对本文工作进行总结，并提出后续工作的展望和建议。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 第二章 超声波测距与 m 序列 2.1 超声波测距 声波是一种机械波，是弹性介质中传播着的压力振动。声波的频率的定义是每秒钟 振动的次数，单位是赫兹Hz。声波的分布如图 2-1。人类耳朵能感受的声波频率为 20Hz20000Hz。 超声波是指振动频率大于 20000Hz 以上的， 其每秒的振动次数 （频率） 非常大，超出了人耳听觉的上限（20000Hz） ，这种人耳听不见的声波就是做超声波。 超声波的方向性好，穿透能力强，能量集中，可用于检测对象和测量距离，检测不 可见的缺陷，清洁、混合、加速化学过程。理论研究表明，在振幅相同的情况下，物体 振动的能量与振动频率成正比，超声波在弹性介质中传播时，质点振动的频率很高，因 而能量远大于同振幅可闻声波[6]。 次声波可闻声波超声波 20Hz