基于ZigBee的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 高正中 李志文 王曉慧 梅守濱

1.引言

現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在很多問(wèn)題：(1)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定，存在測(cè)量盲區(qū)；(2)采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，布局不便，成本較高且不易擴(kuò)展；(3)定位缺陷，主要采用GPS定位技術(shù)，其功耗大、成本高且抗干擾能力不強(qiáng)；(4)接口兼容性差，通信協(xié)議不完善。所以，有線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)難于達(dá)到動(dòng)態(tài)全方位監(jiān)控的目的[1]。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

針對(duì)以上煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文提出了一種基于ZigBee的井下人員定位和瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、井下數(shù)據(jù)采集總站和上位機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都有唯一的ID，礦工隨身攜帶便攜式移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在巷道里活動(dòng)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間將ID信息發(fā)送給附近的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)固定在巷道里的相應(yīng)位置，定時(shí)將接收到的ID信息和傳感器檢測(cè)的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)發(fā)送給井下數(shù)據(jù)采集總站。數(shù)據(jù)采集總站將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳送至井上監(jiān)控室的上位機(jī)。實(shí)現(xiàn)礦工人員的時(shí)時(shí)定位和瓦斯?jié)舛鹊臅r(shí)時(shí)檢測(cè)。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

由于井下巷道縱橫交錯(cuò)，環(huán)境復(fù)雜，有時(shí)巷道長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里，這給井下各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息帶來(lái)了很大的困難。所以，本系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集總站之間的信息傳輸采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)。而CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的真正的片上系統(tǒng)。其結(jié)合了德州儀器RF業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)可編程閃存，8KB RAM和許多其他優(yōu)良性能。能以較低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[2]。

3.1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)即為井下礦工的身份標(biāo)簽，由于井下人員監(jiān)測(cè)無(wú)需精確定位，只需確定其大致范圍，所以采用通訊距離為10米左右的新型低功耗射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊NRF24L01。該模塊工作于2.4GHz-2.5GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)節(jié)器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。

3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)巷道的結(jié)構(gòu)不同，每隔一定距離(不可超過(guò)CC2530的通訊距離，一般不超過(guò)400米)將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)固定在巷道墻壁上。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用CC2530、NRF24L01和瓦斯紅外氣體檢測(cè)傳感器MH-440V/D構(gòu)成的模塊。硬件電路圖如圖2所示。

由圖2可知，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)模塊的NRF24L01與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的NRF24L01相互通信，獲得礦工的人數(shù)、身份等信息，傳感器MH-440V/D檢測(cè)此數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)附近的的瓦斯?jié)舛?。通過(guò)串口將礦工人員信息和瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)傳送給集成芯片CC2530。CC2530可以通過(guò)編程設(shè)置其ID，利用自身集成的ZigBee協(xié)議，將井下的各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，把采集到的信息傳送至數(shù)據(jù)采集總站。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

3.3 數(shù)據(jù)采集總站電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集總站位于井下，采用CC2530無(wú)線(xiàn)模塊，接收巷道內(nèi)各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，利用光電轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，通過(guò)光纖將采集的數(shù)據(jù)傳送到井上監(jiān)控室。硬件電路圖如圖3所示。

4.軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成。適當(dāng)?shù)卦黾痈骷?jí)路由器的數(shù)量能夠增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸距離和傳輸質(zhì)量。此外路由能夠自愈ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果某個(gè)無(wú)線(xiàn)連接斷開(kāi)，路由器能自動(dòng)尋找一條新的路徑避開(kāi)斷開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)連接，這極大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。圖1中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)1即為一級(jí)路由器，可以根據(jù)各個(gè)礦井結(jié)構(gòu)設(shè)置不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳的性?xún)r(jià)比。

本系統(tǒng)借助Keil c51對(duì)NRF24LE1進(jìn)行編程，將礦工身份信息寫(xiě)入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的NRF24LE1芯片，使各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有唯一的ID信息。

借助IAR EW8051軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)CC2530進(jìn)行編程。目前CC2530中的ZigBee協(xié)議的底層驅(qū)動(dòng)已十分成熟，可直接引用驅(qū)動(dòng)代碼對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[4]。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集總站硬件電路圖

圖4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

5.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于ZigBee的煤礦檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)了礦工人員時(shí)時(shí)定位和瓦斯?jié)舛鹊臅r(shí)時(shí)檢測(cè)。

[1]王雪莉,盧才武,顧清華,等.無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)及其在地下礦山中的應(yīng)用[J].金屬礦山,2009(4).

[2]石家駿,鐘俊,易平.基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2011(3):875-878.

[3]高守瑋,吳燦陽(yáng),楊超,等.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[4]李文仲,段朝玉.ZigBee2006無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京:高等教育出版社,2008:41-46.