基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋礦綜采二隊(duì)，安徽 淮南 232001）

摘 要：提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在煤礦井下安全的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有的有線設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了井下動態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。終端節(jié)點(diǎn)采集到的有關(guān)井下的溫度、濕度、氣體的濃度等數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)送達(dá)到主控芯片，經(jīng)處理后，數(shù)據(jù)信息被送達(dá)到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控。無線傳感系統(tǒng)的使用，使得系統(tǒng)的維護(hù)簡單化、方便化，同時成本降低。

關(guān)鍵詞：煤礦;ZigBee無線技術(shù);井下監(jiān)控系統(tǒng);動態(tài)監(jiān)測

0 前言

井下安全監(jiān)控系統(tǒng)指的是實(shí)時監(jiān)控煤礦井下的環(huán)境參數(shù)，為地上和地下監(jiān)控者提供數(shù)據(jù)參數(shù)。及時分析采集到的環(huán)境參數(shù)，預(yù)防災(zāi)難的發(fā)生;如若災(zāi)難已經(jīng)發(fā)生，及時采取相應(yīng)的措施進(jìn)行救災(zāi)工作，防止災(zāi)難繼續(xù)擴(kuò)大，同時為井下工作人員提供指示，將損失降到最低。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，國家對煤礦安全預(yù)防工作的要求也越來越高。就目前而言，井下安全系統(tǒng)多采用有線信號傳輸，使得整個系統(tǒng)較為固定，移動性不好，且存在較大局限性。

煤炭在世界能源中有著舉足輕重的地位，礦井環(huán)境極其復(fù)雜，如若出現(xiàn)事故，將直接對生命造成威脅。因此，煤礦井下安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重大的意義。實(shí)際上，由于井下環(huán)境復(fù)雜，并且工作量較大，給安全監(jiān)控帶來一定程度上的困難。本文使用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)男问絺魉偷桨踩O(jiān)控系統(tǒng)的主控芯片，工作人員及時查看處理過的數(shù)據(jù)，采取相應(yīng)的方法最大肯能避免事故的發(fā)生，有效的解決了布線困難的問題。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是一種以短距離傳輸、低傳輸速率、低功耗等為特點(diǎn)的無線通訊技術(shù)，一般被廣泛應(yīng)用在在工業(yè)控制中，在許多傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。在網(wǎng)絡(luò)層方面，可以采用星形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀拓?fù)?，根?jù)節(jié)點(diǎn)功能的不同，將節(jié)點(diǎn)分為中央?yún)f(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由節(jié)點(diǎn)（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（FFD）。ZigBee除以上提到的優(yōu)點(diǎn)外，還具有可靠性高、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。

2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的簡述

本文所設(shè)計(jì)的煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)是將一些特定功能傳感器采集的參數(shù)如瓦斯?jié)舛取囟?、濕度等通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到安全監(jiān)控基站，經(jīng)過分析處理，判斷數(shù)據(jù)是否在安全標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，若有異常，立即報(bào)警，在第一時間讓井下工作人員迅速做出相應(yīng)的對策。同時，數(shù)據(jù)也會被傳輸?shù)降厣系陌踩O(jiān)控中心?；舅捎玫南到y(tǒng)是S3C2410嵌入式微處理器，另有多種接口。通過CAN總線接口，數(shù)據(jù)被傳送至地上監(jiān)控中心、工作人員通過顯示接口（按鍵以及LCD）實(shí)現(xiàn)對全部安全系統(tǒng)的監(jiān)控和維護(hù)，無線通信模塊的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。整個系統(tǒng)的大致原理如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

由德州儀器研發(fā)的CC2530為ZigBee技術(shù)提供有效的解決方法，它能夠創(chuàng)建一個強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，來滿足ZigBee無線技術(shù)的需求，且較之于其他方案所花費(fèi)的成本低了許多。此外，CC2530轉(zhuǎn)換運(yùn)行模式能夠使系統(tǒng)的功耗降低，使之適合在條件等復(fù)雜的井下環(huán)境工作。

不同功能的傳感器分別采集數(shù)據(jù)后，通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)不斷傳送至S3C2410，檢測參數(shù)是否在安全范圍內(nèi)，如有異常，主控芯片發(fā)出報(bào)警信息并發(fā)送至地上工作人員做進(jìn)一步的處理。整個網(wǎng)絡(luò)由總舵zigbee節(jié)點(diǎn)組成，各種功能的傳感器即終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息，傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最后數(shù)據(jù)交由S3C2410進(jìn)行分析處理。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)大致分為兩大部分：一部分是無線網(wǎng)絡(luò)傳感的設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)的采集、傳輸、自動將節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、定位以及指令的接收等;另一部分是主控芯片的設(shè)計(jì)，主功能是根據(jù)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)來監(jiān)測它們是否在安全指標(biāo)以內(nèi)，若有異常，立即報(bào)警，并將數(shù)據(jù)傳至地上的安全監(jiān)控中心。

ZigBee無線傳感模塊工作的大致流程是首先對程序進(jìn)行初始化，啟動定時器中斷;若觸發(fā)中斷，那么分布在井下的各類功能的傳感器開始采集數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換后經(jīng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)送達(dá)主控芯片，此時查看主控芯片有無發(fā)布指令，如有命令則立即執(zhí)行，反之則重復(fù)查看定時器是否被觸發(fā)，若被觸發(fā)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以此循環(huán)下去，確保井下工作安全。

主控芯片部分的工作流程大致如下所述：程序初始化后，主控芯片接收經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄟ^傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷它們是否在安全范圍以內(nèi)，如有數(shù)據(jù)超出安全范圍，立即發(fā)出報(bào)警信號，并采取相應(yīng)措施，將井下工作人員轉(zhuǎn)移到安全地帶，同時，將數(shù)據(jù)傳送到地上的安全監(jiān)控中心，地上工作人員可以做進(jìn)一步參考分析。

5 結(jié)語

本文提出了一種將zigbee無線技術(shù)與單片機(jī)相結(jié)合的煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，利用ARM單片機(jī)巨大的運(yùn)算處理能力和zigbee技術(shù)的無線傳輸?shù)奶卣鳎朔司虏季€困難、線路易被腐蝕以及維護(hù)困難等難題。另一方面，采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以根據(jù)不斷變換的外界環(huán)境自由減少或增加，方便管理。

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