本课题是山西省科技重大专项“基于物联网的煤矿重大生产装备状态监测及全寿命周期管理系统开发”（20131101029）的重要子课题之一，是针对矿井顶板的安全监测与灾害预警问题而提出的。本文结合煤矿井下顶板监测的现场实际需要，以及中国2025智慧煤矿的发展要求，开发了一套基于无线传输的矿井顶板监测以及预警系统，实现对顶板的离层信号和应力信号的实时采集、存储、上传，以及对顶板灾害的预警。研究的主要内容有：
　　通过查阅大量相关文献，以及调研矿井顶板现场监测现状，分析了无线传输技术在矿井顶板监测与预警中应用的可行性和必要性，结合井下实际安装和操作需求，制定了系统总体设计方案，确定了基于无线传感的矿井顶板监测与预警系统结构组成和功能。整个系统由一台上位机、一台CAN转以太网模块、多台中继装置，以及数十台矿井低功耗无线顶板监测装置组成。它们共同组成一个基于现场无线网络的实时顶板状态监测与预警系统。上位机与CAN转以太网模块之间、模块与中继装置之间采用有线传输，中继装置与顶板监测装置之间采用无线传输。
　　在充分考虑煤矿井下仪器仪表设备防爆要求以及无线设备低功耗要求的基础上，开发了基于低功耗单片机MSP430F1611为主控制器的低功耗无线顶板状态监测装置硬件电路和顶板中继器装置硬件电路。除主控制器以外，装置中主要还包含电源转换模块、显示模块、多参量信号采集模块、数据存储模块、蓝牙通信模块、以及CAN通信模块等硬件电路。
　　采用软硬件结合的方式，编写了具有低功耗和无线传感特性的矿井顶板监测装置程序。它主要包括主程序、功耗管理程序、OLED屏幕显示程序、多通道信号采集程序、外部FLASH存储程序、时钟读写与参数掉电存储程序、光触发与物理按键识别程序、蓝牙通讯程序等。此外，根据数据转换和传输的要求编写了中继器程序，其主要包括OLED屏幕显示程序、外部物理按键程序、蓝牙数据收发程序以及基于CAN通信的数据收发程序等。硬件与软件功能实现矿井顶板多监测传感器的低功耗运行和无线数据传输，不仅延长了意外停电后对顶板连续监测的时间，而且减少了矿井应对突发事故的盲目性。
　　通过分析神经网络等智能算法与数学模型在矿井顶板预测预警中的优缺点，结合本文所开发监测系统可获得的顶板特征信息，建立了基于自回归滑动平均模型的矿井顶板预警模型，开发了集监测和预警于一体的上位机软件。基于山西晋煤集团某矿井的顶板监测历史数据，验证了自回归滑动平均模型实现矿井顶板动态预警的可靠性和有效性，实现了对矿井顶板的动态评估和预警。
　　在实验室以及晋煤研究院车间对各部分装置单项功能以及整体系统功能进行联合调试，达到了设计的预期要求，调试结果表明：系统能够准确地完成对顶板信号的采集、存储、上传与预警，实现了数据在无线网络下的有序传输，有效提高通信线路意外切断后，顶板监测的连续性，既提高了矿井顶板监测的可靠性，也为进一步分析预测顶板动态提供了依据。