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基于ZigBee的综采工作面顶板压力无线监测系统
摘要：
综采工作面顶板压力无线监测系统是煤矿安全管理中重要的一环，可有效确保煤矿工作面的顶板安全。该系统利用ZigBee协议进行数据传输，结合无线传感技术和监测理论，实时监测煤矿顶板压力，及时发现异常情况，减少事故发生率，保障煤矿工作者的生命安全。本文详细介绍了综采工作面顶板压力无线监测系统的工作原理、系统组成和应用前景，具有一定的理论和实际指导意义。
关键词：ZigBee，综采工作面，顶板压力，无线监测
一、绪论
煤炭是世界上最重要的化石能源之一，在能源结构中扮演着重要的角色。但由于煤矿开采存在一些固有的危害，煤矿安全是一个极为重要的问题。在煤矿开采过程中，顶板失稳事故是一种常见的危险情况，煤矿工人的生命安全将会受到威胁。因此，及时监测煤矿顶板压力成为了煤矿安全管理的重要环节。
传统的煤矿顶板监测方法通常采用人工进行，无法及时发现异常情况，增加了顶板失稳事故的风险，而传统有线传输方式不利于操作，无法满足煤矿现场的特殊环境和需要，因此，开发一种无线监测方法就显得尤为重要。
本文基于ZigBee协议，设计了一种新型的综采工作面顶板压力无线监测系统，该系统利用无线传感器技术，通过传感器采集煤矿顶板压力数据，采用ZigBee协议进行数据传输，不仅实现了煤矿顶板压力数据的实时监测，还具有节省成本、减少工作强度等优点。该系统可广泛用于煤矿安全监测和管理。
二、无线传感器技术
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)技术是目前国际上研究的热点之一，是一种利用微型传感器、微处理器和微通信技术等集成技术，构建可以感知周围环境信息并实现相互通信的无线传感器网络。无线传感器网络中的节点可以自组织形成一个多层次、多节点的网络结构，实现对目标区域内目标物体或环境参数的高效、实时监测。
无线传感器网络具有以下优点：
（1）无线传感器具有体积小、功耗低、生命长等特点；
（2）节点间通信灵活、快速、可靠；
（3）系统容错能力强、可扩展性好。
在煤矿顶板监测领域，由于煤矿工作面狭窄、环境恶劣，传统有线监测方式不易实现，利用无线传感器网络技术建立一个单独的顶板压力监测系统是十分必要的。
三、综采工作面顶板压力的无线监测方法
无线传感器技术是实现煤矿顶板无线监测的基础，但提高无线传感器网络的实时和可靠性，加强远程诊断与控制，需要特定的监测技术的支持。因此，需采用更为稳定和遥测传输距离更长的ZigBee协议进行节点通信。
ZigBee是一种低功耗的、短距离、低速通信的无线网络协议，专门为低数据率(每秒不到250Kbps)、低功耗的无线传感器网络设计。ZigBee协议具备以下特点：
（1）低功耗：ZigBee设备在待机模式下的功耗非常低；
（2）简单：协议栈简单，适合小容量的嵌入式设备；
（3）可靠性高：ZigBee设备的ARQ及数据包重传机制，提高了通信链路的可靠性。
基于ZigBee协议的煤矿顶板监测系统，节点之间相互通信，从而实现了采集顶板压力数据和实时传输数据。监测系统的硬件部件包括传感器节点和控制器节点。其中，传感器节点主要犯有两层：传感器层和物理层。传感器层负责采集煤矿顶板压力等信息；物理层的作用是将采集到的信息进行数字化处理，并向协议层传输数据。控制器节点负责控制传感器节点与 协调各个节点之间的通信协议工作。
四、系统组成
（1）传感器
传感器是煤矿顶板无线监测系统的重要组成部分。通过使用不同类型的传感器，可对不同类型的煤矿工作面进行监测。选择合适的传感器是煤矿顶板压力监测系统的关键。采用最新的压力传感器，实时获取煤矿顶板压力数据。可通过传感器节点将数据实时采集、传输至控制器节点进行处理。
（2）控制器
控制器节点是综采工作面顶板压力无线监测系统的核心部分，负责节点之间的协调工作，是整个无线网络的控制中心。控制器节点部分主要组成部分有：微处理器、通信模块等。
（3）无线通信模块
无线通信模块是综采工作面顶板压力无线监测系统的重要组成部分，负责节点之间传输数据。无线通信模块主要包括：发送和接收部分。发送部分向其他节点传输数据，而接收部分接收到其他节点的数据。无线通信模块采用ZigBee协议进行通讯，具有可靠性高、延迟低、传输速度快等优点。
五、应用前景
综采工作面顶板压力监测系统是煤矿安全工作的一项重要技术之一。在实际应用中，该系统可广泛用于采矿安全监测、地质灾害防治、防火等方面，与矿井控制系统结合，形成一套完整的安全保障系统。
由于目前国内煤矿压力检测手段相对简单，此系统具有良好的市场前景。随着无线传感器网络技术的不断发展和普及，该系统的应用前景将越来越广阔。
六、结论
综采工作面顶板压力无线监测系统的兴起，实现了煤矿顶板压力数据的实时监控，同时具有无线传感器技术的优点：低成