基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井安全監(jiān)控中的應(yīng)用

摘 要：近年來，在以人為本的核心思想下，為了進(jìn)一步保障井下作業(yè)人員的生命安全。我國的礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的長(zhǎng)進(jìn)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和通訊技術(shù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制的要求也逐漸被重視起來。ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也逐步應(yīng)用起來了。

關(guān)鍵詞：礦井監(jiān)測(cè)；ZigBee；無線通信

引言

中國是一個(gè)世界級(jí)的礦業(yè)大國，礦業(yè)開采的安全問題顯得十分重要。而在現(xiàn)階段，我國的安全生產(chǎn)管理體系落后，安全生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備相對(duì)于發(fā)達(dá)國家來說依舊有很大的差距?，F(xiàn)有的安全生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備大多以工業(yè)總線為基礎(chǔ)，雖然其抗干擾性良好，可靠性高，但隨著礦下作業(yè)的持續(xù)，以有線網(wǎng)絡(luò)組成的安全信息網(wǎng)絡(luò)不可避免的在靈活性，擴(kuò)展性，抗突發(fā)事故能力等方便遭到了大眾的質(zhì)疑。為了更好的解決這些問題，無線網(wǎng)絡(luò)的引入以改善網(wǎng)路變顯得順理成章。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機(jī)，手機(jī)客戶端，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。由終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集井下的溫濕度信息和氣體濃度信息，通過2.4GHzISM頻段無線傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。再由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)把相關(guān)的安全信息傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)可以通過系統(tǒng)內(nèi)部專門架設(shè)的局域網(wǎng)與手機(jī)移動(dòng)客戶端互連，使得專用地面監(jiān)控中心可以通過煤礦內(nèi)部專用局域網(wǎng)與集團(tuán)公司的總控制中心互連，從而使工作人員能夠遠(yuǎn)程的進(jìn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主體框架如圖1所示。

1.1 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器使用了CC2530片上系統(tǒng)中的CC2530-F256芯片。擁有包括SFR、DATA和CODE三個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問總線和一個(gè)調(diào)試接口以及一個(gè)中斷控制器。內(nèi)存仲裁起位于系統(tǒng)中心，因?yàn)樗ㄟ^SFR總線，把CPU和DMS的控制器和物理存儲(chǔ)器與所有外設(shè)鏈接在一起。8KB的SRAM具有超低功耗的特點(diǎn)，同時(shí)能夠在數(shù)字部分掉電是保存自己的內(nèi)容，使得ZigBee的睡眠模式能夠得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)CC2530-F256中的256KB閃存模塊為芯片提供了巨大的非易失性存儲(chǔ)空間，程序開發(fā)者把程序存儲(chǔ)在其中，以保證再次上電后，設(shè)備可以再次使用相關(guān)的數(shù)據(jù)。在核心板中還集成了2.4GHz的CC2530RF射頻天線模塊，提供了contiki智能物聯(lián)網(wǎng)定位功能擴(kuò)展，板上還包括了一個(gè)32MHz的晶振和相應(yīng)的電容，其中射頻天線采用的是倒F型天線設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)ZigBee無線通信的重要組成部分，也是ZigBee能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)功能的核心所在。按照預(yù)定的周期，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)把經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收集來的井下安全信息通過串口傳輸給上位機(jī)。

1.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)中提供了眾多的外圍電路接口包括兩個(gè)5V傳感器接口和兩個(gè)3V傳感器接口?？梢允褂肈C5V電源接口供電或者是一節(jié)3.7V干電池供電，有一個(gè)OLED屏接口，用于信息顯示，支持Debug接口和USB串口，以供開發(fā)者與電腦進(jìn)行互聯(lián)，從而方便的對(duì)ZigBee進(jìn)行調(diào)試。此外，還設(shè)置了一個(gè)復(fù)位鍵，兩個(gè)獨(dú)立按鍵和4顆獨(dú)立的LED燈用來與程序調(diào)試相匹配。選取了DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器分別對(duì)溫濕度和氣體濃度信息進(jìn)行采集，DHT11的相對(duì)濕度測(cè)量范圍為20%-90%，相對(duì)濕度的測(cè)量誤差在±5%；溫度測(cè)量范圍為0-50℃，測(cè)量誤差在±2℃，滿足系統(tǒng)的要求。

2 通信協(xié)議

為了使協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間的通信能夠進(jìn)行，需要設(shè)定一套通訊協(xié)議。使得設(shè)備能對(duì)收到的數(shù)據(jù)能夠識(shí)別，校驗(yàn)。

于是有數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

其中，校驗(yàn)碼是在對(duì)錢四個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行與運(yùn)算后得出。響應(yīng)報(bào)文中數(shù)據(jù)如果等于0表示操作失敗，1則操作成功。對(duì)于溫濕度傳感器，響應(yīng)報(bào)文則直接給出溫濕度數(shù)據(jù)。功能碼則根據(jù)需求設(shè)置01開頭的數(shù)列，數(shù)列中的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)相應(yīng)的功能選項(xiàng)。

其中開始單元的作用和功能碼的功能實(shí)現(xiàn)如以下代碼所示：

case 0x2B：

if（afRxData[3] == 0x02） //收到終端傳過來的傳感器數(shù)據(jù)并保存

{

NodeData[afRxData[2]-1][0] = afRxData[4]；

NodeData[afRxData[2]-1][1] = afRxData[5]；

NodeData[afRxData[2]-1][2] = afRxData[6]；

NodeData[afRxData[2]-1][3] = afRxData[7]；

NodeData[afRxData[2]-1][4] = 0x00；

}

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟解設(shè)計(jì)

一方面以廣播通訊的方式把查詢命令發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，另一方面接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的環(huán)境安全數(shù)據(jù)并把它上傳至上位機(jī)程序中。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)收集環(huán)境安全數(shù)據(jù)，然后傳遞到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。并接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸過來的查詢數(shù)據(jù)。其工作流程如圖2所示。

4 上位機(jī)監(jiān)控

利用VS開發(fā)工具的iocomp工業(yè)控件設(shè)計(jì)了PC端的上位機(jī)監(jiān)控測(cè)試軟件和基于Android的測(cè)試客戶端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度信息和氣體濃度信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，其運(yùn)行界面如圖3所示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)中使用了CC2530開發(fā)套件，建立一套能實(shí)時(shí)測(cè)量溫濕度，氣體濃度的系統(tǒng)。繼承了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，能夠以無線的方式，低成本，低功耗的實(shí)現(xiàn)井下安全信息監(jiān)測(cè)，同時(shí)又使系統(tǒng)不失靈活性和可靠性。

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作者簡(jiǎn)介：明立娟（1981-），女，攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院教師，主要從事電類課程的理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

劉浩（1993-），男，攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院學(xué)生。