基于zigbee技術(shù)的井下監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

楊鵑，韓雪松

(承德石油高等?？茖W(xué)校計算機(jī)與信息工程系，河北承德067000)

基于zigbee技術(shù)的井下監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

楊鵑，韓雪松

(承德石油高等?？茖W(xué)校計算機(jī)與信息工程系，河北承德067000)

針對于目前煤礦監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，提出將zigbee無線通信和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)通信模式，選用CC2530/CC2533芯片作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心芯片，通過RF信號的發(fā)送和接收實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。利用該模式設(shè)計出的井下監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以監(jiān)測礦井環(huán)境參數(shù)，也可用于人員定位和區(qū)域統(tǒng)計，為井下管理提供了動態(tài)可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了煤炭生產(chǎn)監(jiān)控所需的基本功能。

監(jiān)控系統(tǒng);人員定位;zigbee;TCP/IP

瓦斯爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)、頂板冒落［1］等事故的發(fā)生給煤炭生產(chǎn)帶來了極大的危險，加強系統(tǒng)的安全管理，采取科學(xué)、有效、智能化的管理系統(tǒng)，減少和避免各類事故的發(fā)生，現(xiàn)已成為井下作業(yè)安全研究的迫切問題。以光纖工業(yè)以太網(wǎng)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)反應(yīng)速度大為加快，但系統(tǒng)可靠性和抗毀性沒有較大的提高［2-3］。國內(nèi)應(yīng)用較多且效果較好的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要有KJ4/KJ2000、KJ90等［4］。目前存在的主要問題有應(yīng)急救援無法解決;有線通信受區(qū)域限制;信息利用率不高。為解決監(jiān)控系統(tǒng)的上述問題，提高礦井系統(tǒng)的安全性，本系統(tǒng)設(shè)計采用zigbee無線通信技術(shù)和光纖技術(shù)相結(jié)合的通信方式，可準(zhǔn)確實現(xiàn)系統(tǒng)的人員定位和管理，實時監(jiān)控工作環(huán)境，突遇緊急情況可報警并預(yù)案處理。

1　系統(tǒng)功能

考慮到井下作業(yè)的特殊性和安全性，結(jié)合礦井的生產(chǎn)要求，本系統(tǒng)所要具體實現(xiàn)的功能主要包含以下內(nèi)容:

1)監(jiān)控井下的工作環(huán)境，包括實時上傳CH4、CO、頂板壓力、風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)。

2)監(jiān)控人員的具體位置。可實時查詢定位工作人員的具體位置，保證生產(chǎn)工作的安全。

3)監(jiān)控機(jī)車的位置?？蓪崟r查詢機(jī)車的具體位置，描繪機(jī)車系統(tǒng)的主要活動路徑。

4)監(jiān)控某一區(qū)域的人員數(shù)量。

5)自動報警。危險區(qū)域有人員活動的話，可自動發(fā)送報警信號，并將報警信號上傳給主機(jī)，同時啟動預(yù)案處理。

6)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行能量監(jiān)控，保證節(jié)點正常運行。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

井下監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)主要包括主機(jī)、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)、傳感節(jié)點和移動節(jié)點，其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點、傳感節(jié)點、移動節(jié)點均屬于zigbee無線通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)通過光纜經(jīng)由交換機(jī)與主機(jī)之間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

主機(jī)是用于監(jiān)控和管理井下工作的普通計算機(jī)，內(nèi)部安裝監(jiān)控軟件，可按ID編號調(diào)取和查詢井下人員的具體位置。主機(jī)內(nèi)安裝的監(jiān)控軟件采用LabVIEW軟件開發(fā)而成，專門針對于本項目研究的系統(tǒng)而設(shè)計的，管理人員只需通過監(jiān)控軟件的使用就可監(jiān)控管理井下的生產(chǎn)和安全。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點選用CC2530芯片，主要起到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能，在主機(jī)與傳感節(jié)點和移動節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，維護(hù)zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

移動節(jié)點可安裝在人員的安全帽上，也可安裝在機(jī)車上，主要用于人員定位和機(jī)車定位?？紤]到節(jié)點能耗的問題，移動節(jié)點選用CC2533芯片，CC2533芯片與CC2530最大的區(qū)別在于CC2533帶有電池電壓監(jiān)測的功能，可檢驗?zāi)芰肯牡那闆r，保證節(jié)點的正常工作。

傳感節(jié)點固定安裝在具體位置，可對實時環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測和上傳，也可用于系統(tǒng)定位，此時的傳感節(jié)點相當(dāng)于錨節(jié)點，接收來自于移動節(jié)點的RSSI信號幀。傳感節(jié)點選用CC2533芯片通過串行接口安裝不同性能的傳感器，每個傳感器節(jié)點可根據(jù)需要連接一種或多種傳感器，以工作環(huán)境監(jiān)測為例，可將SHT75溫濕度傳感器和UL-264瓦斯傳感器通過接口與CC2533芯片相連。

本監(jiān)控系統(tǒng)還要負(fù)責(zé)井下設(shè)備管理，井下設(shè)備的控制器、執(zhí)行器和分站的設(shè)計都充分利用了zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的功能，執(zhí)行器和控制器模塊具有網(wǎng)絡(luò)化的功能，可由zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信和管理，將控制開關(guān)和執(zhí)行器就近安裝在機(jī)電設(shè)備周圍，且執(zhí)行器通過開關(guān)量輸入反饋來保證執(zhí)行的準(zhǔn)確性?？刂破骺赏ㄟ^無線網(wǎng)絡(luò)接收到來自于主機(jī)的控制信息，執(zhí)行控制命令，控制終端設(shè)備的啟停操作，且為了保證控制的可靠性，控制器的布局設(shè)置應(yīng)采用冗余的控制形式，設(shè)定備份控制器以防主控制器失效，保證系統(tǒng)運行的可靠性［5］。

3　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計

3．1網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的組建和協(xié)調(diào)管理工作，初始化網(wǎng)關(guān)設(shè)置后，與上位機(jī)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，將自身的設(shè)備類型、ID號和控制區(qū)域范圍等信息傳送給主機(jī);再進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)的組建，定期向外發(fā)送信號幀。接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送的應(yīng)答信息，判定是否批準(zhǔn)入網(wǎng)，如果批準(zhǔn)入網(wǎng)，則分配網(wǎng)絡(luò)地址給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的流程如圖2所示。

3．2傳感節(jié)點軟件設(shè)計

傳感節(jié)點相當(dāng)于zigbee網(wǎng)絡(luò)的路由器，主要負(fù)責(zé)子網(wǎng)的管理和路由鄰居表維護(hù)的功能。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)地址分為長地址和短地址兩種形式。當(dāng)終端設(shè)備發(fā)送入網(wǎng)請求，則接收到信號幀的路由器或是協(xié)調(diào)器判定是否批準(zhǔn)入網(wǎng)，并回復(fù)入網(wǎng)應(yīng)答，如果應(yīng)答信息為SUCCESS，則入網(wǎng)成功，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間建立父子節(jié)點關(guān)系。父節(jié)點按照路由算法給子節(jié)點分配16位短地址。物理地址修改軟件Setup_SmartRFProgr_ 1．9．0．exe來設(shè)置坐標(biāo)值。

本系統(tǒng)路由算法采用AODVJR路由算法，該算法在兩節(jié)點間路徑失效后，能快速設(shè)定新的路由，具有較強的網(wǎng)絡(luò)糾錯能力［6］。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間需建立網(wǎng)絡(luò)通信時，源節(jié)點首先查看路由表是否存在與目的節(jié)點間的路由路徑，如果有，則按照該路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，否則，則向外廣播路由請求，接收到路由請求的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點判定自身是否為目的地址，如果是，則建立正向路由并將該路由路徑應(yīng)答給源節(jié)點;如果不是目的地址，則建立反向路由并繼續(xù)廣播路由請求。算法中，只將接收到的第一個路由請求作為路由路徑保存并發(fā)送路由應(yīng)答。

3．3移動節(jié)點軟件設(shè)計

移動節(jié)點一般安裝在工人的帽子或者機(jī)車上面，用于實現(xiàn)節(jié)點定位功能。本監(jiān)控系統(tǒng)的定位工作包括人員定位和區(qū)域人員統(tǒng)計兩方面。人員定位時，移動節(jié)點會發(fā)送RSSI信號幀給周圍的傳感節(jié)點，傳感節(jié)點做出應(yīng)答，發(fā)送信號幀給移動節(jié)點，其中包含傳感節(jié)點的位置和接收到的RSSI值，移動節(jié)點根據(jù)定位算法程序運行計算出自身的位置，并將計算后的結(jié)果上傳給網(wǎng)關(guān)。區(qū)域人員統(tǒng)計時，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令給區(qū)域范圍內(nèi)的錨節(jié)點，確定與之建立通信的未知節(jié)點，再逐一判定移動未知節(jié)點的位置，統(tǒng)計區(qū)域范圍內(nèi)的人員個數(shù)。

定位算法決定了系統(tǒng)定位的精度和功耗［7］，基于這兩個方面的考慮，本系統(tǒng)的定位算法采用改進(jìn)型的加權(quán)質(zhì)心定位算法，在加權(quán)質(zhì)心定位算法的計算結(jié)果上，根據(jù)估算的位置劃定估算范圍，在該計算范圍內(nèi)尋找最小的定位誤差點，將其作為新的估算位置，再重復(fù)進(jìn)行計算，計算的次數(shù)可由實際精度進(jìn)行調(diào)整。

4　網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)的通信采用zigbee網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)互連的方式，井下環(huán)境采用zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)節(jié)點間的通信，網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接井下作業(yè)和地面監(jiān)控工作，將zigbee協(xié)議的通信命令轉(zhuǎn)換為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，通過光纜傳送到交換機(jī)，最后傳送到主機(jī)中。

4．1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換

為了實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和zigbee網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)采用socket端口用于不同協(xié)議間的網(wǎng)絡(luò)通信。Socket端口采用字節(jié)流式套接口以保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，套接口由地址和端口號表示，根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)說明?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，本系統(tǒng)socket傳輸采用TCP的鏈接方式，通過三次握手成功后才能建立網(wǎng)絡(luò)通信，傳輸?shù)臏?zhǔn)確性較高?；赥CP數(shù)據(jù)報的socket傳送過程的流程如圖3所示。服務(wù)器需要在創(chuàng)建套接字后進(jìn)行套接字的綁定操作，將套接字設(shè)定為監(jiān)聽模式，等待數(shù)據(jù)發(fā)送，網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建好套接字后，發(fā)送連接請求給服務(wù)器，接收到服務(wù)器的accept應(yīng)答后，才能發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器。

4．2zigbee串口通信

Zigbee的數(shù)據(jù)通信是由串口實現(xiàn)的，串口是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通信的非常重要的方式，CC2530芯片支持zigbee2006協(xié)議棧，協(xié)議中已經(jīng)定義好了串口通信的處理程序，用戶只需根據(jù)自己的需要修改設(shè)置和函數(shù)調(diào)用即可實現(xiàn)所需的操作。CC2530提供了兩種串口通信方式，ISR和DMA。ISR默認(rèn)設(shè)置的波特率115 200，在數(shù)據(jù)傳輸頻繁的情況下有容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題;DMA的高速數(shù)據(jù)傳輸模式，可以在外設(shè)和存儲器之間直接進(jìn)行通信，無需占用CPU，可提高系統(tǒng)的處理速率。本系統(tǒng)設(shè)計的串口通信分為兩個部分:井下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的串口通信;網(wǎng)關(guān)節(jié)點與主機(jī)間的串口通信?；跀?shù)據(jù)傳輸?shù)念l繁性，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的串口通信采用DMA通信方式。主機(jī)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采用DMA通信方式，網(wǎng)關(guān)節(jié)點向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采用ISR通信方式。

5　結(jié)束語

本文主要探討了井下監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，采用zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的通信方式，將zigbee靈活的通信方式應(yīng)用于井下作業(yè)，網(wǎng)關(guān)與主機(jī)間選用光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。分別設(shè)計了網(wǎng)關(guān)節(jié)點、移動節(jié)點和傳感節(jié)點的硬件和軟件部分，并對于網(wǎng)絡(luò)通信的實施進(jìn)行了具體的設(shè)計。通過本文的研究，一方面可實現(xiàn)人員定位系統(tǒng)的功能，另外一方面也可通過傳感節(jié)點的監(jiān)測起到安全監(jiān)控的作用，實現(xiàn)了系統(tǒng)的定位和安全監(jiān)控的功能，為生產(chǎn)提供了安全保障和有效的管理數(shù)據(jù)。

［1］王瑛，錢旭．基于礦井監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計原則的研究［J］．煤炭技術(shù)，2013，22(2):9－11．

［2］胡繼紅．煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題與發(fā)展方向［J］．中國煤炭，2010，36(12):61－63．

［3］鄒哲強．煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的測定方法［J］．工礦自動化，2010，36(4):1－4．

［4］高春礦．煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］．煤炭技術(shù)，2014，23(11):65－66．

［5］華鋼，宋志月，王永星，等．物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)研究［J］．工礦自動化，2013，39(3):6－9．

［6］曾小虎．zigbee路由實現(xiàn)與通信性能測試研究［D］．廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2011．

［7］楊鵑，韓雪松．無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù)［J］．承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2013(6):39－43．

簡訊

我校與俄羅斯高校探討合作路徑日前，我校黨委書記王紀(jì)安參加河北省高等教育培訓(xùn)訪問團(tuán)對俄羅斯高校進(jìn)行了訪問。期間，分別與圣彼得堡交通大學(xué)副校長基謝列夫、莫斯科人民友誼大學(xué)副校長塞巴斯蒂安、莫斯科大學(xué)亞非學(xué)院蘇仕基娃主任等就我校部分專業(yè)與對方本科3十2項目合作、教師培訓(xùn)、暑期學(xué)生短期進(jìn)修等進(jìn)行了交流洽談，達(dá)成初步意向。

Design of Underground Monitoring System Based on Zigbee Technology

YANG Juan，HAN Xue-song
(Department of Computer and Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Aiming at the existing problems in coal mine monitoring and control system，the network communication mode is used in the zigbee wireless communication and TCP/IP network in this paper．CC2530/CC2533 chip is chosen as the core chip of network nodes．Data communication is achieved by the RF signal to send and receive data between the nodes．Monitoring system designed in this paper is not only used to monitor the mine environment parameters，but also used to locate and in area statistics．It provides a dynamic and reliable monitoring data for mine management，realizing the basic function of the coal production monitoring required．

monitoring system;person localization;zigbee;TCP/IP

TD76

B

1008-9446(2015)01-0039-04

承德市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的應(yīng)用性研究):20122247

2014-10-15

楊鵑(1979－)，女，黑龍江雙鴨山人，承德石油高等?？茖W(xué)校計算機(jī)與信息工程系講師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等。