工作面液压支架监测系统的研究与设计

　摘

  要： 针对目前工作面液压支架监测系统的现状，设计了一种基于 CAN 总线和无线传

感器网络（

WSN）的液压监测系统。该系统以 ATmega128L 单片机和 CC2420 芯片为核心设

计传感器节点，结合

CAN 控制器 MCP2515 设计 Sink 节点，给出了系统的硬件设计和软件

流程。
　　矿井液压支架监测方式通常有两种：一是井下人工读取数据后带到地面计算机进行数
据分析处理；二是通过

RS485 总线或者现场总线进行远距离在线监测与数据采集传输到地

面计算机显示和分析。第二种方式系统布线复杂，随着开采工作面的推进以及升降架等操作，
有线网络极易被扯断，导致现场采集的压力数据无法上传到地面计算机，系统处于半瘫痪
状态，使煤矿的安全留下了严重的隐患。针对目前国内在液压支架监测方面存在的问题，本
文设计了一种基于无线传感器网络（

WSN）的工作面液压支架在线监测系统。

　　

1 压力传感器网络结构

　　本文设计的压力监测传感器网络结构如图

1 所示，包括传感器节点和汇聚节点。压力传

感器节点完成压力数据采集和多跳中继传输；簇头完成成员节点数据的收集、数据融合和转
发的功能。

Sink 节点完成压力数据的汇集和无线与有线信号的转换，实现 CAN 总线接入，

上传到地面计算机实时监控。由于综采面液压支架推进相当缓慢，无线传感器网络的拓扑结
构近似认为是直线型；同时每一个液压支架都已经编号，可以认为位置已知。

　　

1.1 压力传感器节点硬件设计

　　

CC2420 芯片是天线接收的射频信号经过低噪声放大器和 I/Q 下变频处理后，中频信号

只有

2 MHZ,此混合 I/O 信号经过滤波、放大、AD 变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最

终恢复出传输的正确数据。发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入

128 字节的

发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据

IEEE802.15.4 标准，所要发送

的数据流的每

4 个比特被 32 码片的扩频序列扩频后送到 DA 变换器。然后，经过低通滤波

和上变频的混频后的射频信号最终被调制到

2.4 GHZ，并经放大后送到天线发射出去

　　如图

2 所示，第一级网络主要由无线传感器网络构成，采用业界极具竞争优势的

ATmega128L 单片机，加上无线 RF 单元 CC2420、信号调理模块 AD620、压力传感器
SLM211、液晶显示 1602，采用 5V/4 800mAh 可充电锂电池供电。

　　

1.1.1 微控制器模块选型

　　微控制器模块是无线传感器节点的计算核心，它负责节点设备控制、任务调度、通信协
议、同步定位、数据融合和数据转储等程序的运行。微处理器选型主要从两方向考虑：（

1）

能够片上集成

AD，具有较高的处理速度，低功耗，外围资源丰富等特点。（2）Ｚ igBee 协

议对系统微处理器的要求有：至少是

8 bit MCU；完全的协议栈：ROM<32 KB；简单功能

节点协议栈：

ROM 约 6 KB；协调器还需要足够的 RAM。用于保存节点器件数据库、传输路

由表等。根据以上要求，本系统选用了

ATmega128L 微控制器，它是目前 AVR 系列中功能

最强大的

8 bit 微控制器。它具有片内 128 KB 的程序存储器，4 KB 的数据存储器，在不外

扩存储的情况下，能够满足对

ZigBee 协议栈的支持，芯片价值不足 5 美元，使其在性价比

方面更具诱惑力。
　　

1.1.2 无线通信单元 CC2420

　　

CC2420 是 Chipcon 公司推出的首款符合 2.4 GHz IEEE802.15.4 标准的射频收发器，它

实现

ZigBee 协议的物理层（PHY）及媒体访问控制器（MAC）层，具有超低电流消耗，