基于ZigBee技術(shù)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 亮,李敬兆

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001）

基于ZigBee技術(shù)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 亮,李敬兆

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001）

為更好地對(duì)井下煤礦開采所存在的安全隱患進(jìn)行全面監(jiān)控，提出了一種將ZigBee無(wú)線監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于建設(shè)礦井監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要由兩部分組成，分為傳感器監(jiān)控分站下位機(jī)系統(tǒng)和地面監(jiān)控中心上位機(jī)系統(tǒng)。在上位機(jī)與下位機(jī)之間，用ZigBee無(wú)線技術(shù)對(duì)井下現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)傳輸、顯示。本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成與軟件設(shè)計(jì)，并在模擬環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試運(yùn)行，實(shí)際結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性，表明了該技術(shù)與有線通信相比節(jié)約成本、安裝方便、易于擴(kuò)展。

ZigBee；傳感器；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；CC2530；監(jiān)控

引言

煤礦行業(yè)的首要任務(wù)是保證煤礦產(chǎn)業(yè)的安全生產(chǎn)，礦井下環(huán)境復(fù)雜，容易發(fā)生事故，需要一個(gè)準(zhǔn)確有效的監(jiān)控平臺(tái)對(duì)礦井環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控，將安全事故消滅在萌芽期。監(jiān)控分站在礦井監(jiān)控中承擔(dān)著重要角色，主要將井下各監(jiān)控模塊采集到的有效信息傳輸給地面控制中心，對(duì)礦井環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。[1]由于井下監(jiān)控范圍廣、參數(shù)多，外加環(huán)境復(fù)雜多變與危險(xiǎn)因素等影響，傳統(tǒng)的井下電纜成本高、效率低、結(jié)構(gòu)單一，不易變化與擴(kuò)展。ZigBee無(wú)線技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)有線通信的不足，其網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)靈活，適合應(yīng)用于監(jiān)控領(lǐng)域。 與 BlueTooth、Wi—Fi、IrDA等無(wú)線傳輸協(xié)議相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：功耗低，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短，收發(fā)數(shù)據(jù)功率低，且采用了休眠模式；成本低，ZigBee協(xié)議棧的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)練，研發(fā)成本相對(duì)較低，軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單；傳輸可靠抗干擾性強(qiáng)，通信方式采用的是DSSS擴(kuò)頻，與RFID的寬帶通信和433～915 MHz的FSK通信相比，具有抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)；速度快距離遠(yuǎn)，ZigBee協(xié)議2.4 GHz物理層，速度為250 kbps，傳輸距離可達(dá)30米到70米，若擴(kuò)大信號(hào)，傳輸距離可超過100米。

因此，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)多用于構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，不僅能克服井下監(jiān)控傳統(tǒng)布線的區(qū)域限制，其組網(wǎng)靈活多變，還能增強(qiáng)礦井監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展性，滿足多個(gè)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)和控制。[2]

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of coal mine monitoring system

將井下劃分成若干不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域看成一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成一個(gè)傳感器分站，包括終端節(jié)點(diǎn)與傳感器。地面監(jiān)控中心與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成為主站，分站與主站通過ZigBee技術(shù)組成星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。[3]當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)出現(xiàn)狀態(tài)異常時(shí)能及時(shí)無(wú)誤地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，便于管理人員對(duì)井下狀態(tài)的掌握。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括終端節(jié)點(diǎn)模塊、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊、傳感器模塊和電源管理模塊。

終端節(jié)點(diǎn)模塊采用的是TI公司的CC2530作為主控制器，它結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的良好性能，業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU。每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集一個(gè)傳感器信號(hào)，根據(jù)信號(hào)分析被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作狀態(tài)并及時(shí)傳輸?shù)缴弦患?jí)。[4]

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊由控制芯片STM32與射頻芯片CC2530構(gòu)成，通過RS232實(shí)現(xiàn)信息傳遞。STM32控制器選用的是基于ARMCortex-M3的STM32F103RB芯片。該系列采用RISC和Thumb-2技術(shù)，比傳統(tǒng)的ARM減少了代碼與內(nèi)存。此模塊主要承擔(dān)著與各個(gè)傳感器分站進(jìn)行通信并與控制中心進(jìn)行信息交互的任務(wù)[5]。

傳感器模塊主要由溫度傳感器、濕度傳感器、瓦斯傳感器、壓力傳感器等組成。將傳感器置于各檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集各點(diǎn)參數(shù)，并通過LMP90100進(jìn)行放大濾波得到有效信號(hào)，發(fā)送給主控制器進(jìn)行處理和分析。[6]

電源模塊部分主要是對(duì)CC2530和各傳感器提供電能。為了節(jié)約能量，我們可以選用CD4066模擬開關(guān)來控制采集部分即傳感器模塊電源的通斷,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不采集數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集部分的功耗為零。[7]系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.2 System hardware block diagram

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一般無(wú)線通信主站對(duì)分站的數(shù)據(jù)查詢方式是依次進(jìn)行的，可靠性低并且效率不高。本系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)組成無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)采用的是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建包括網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的組建和終端節(jié)點(diǎn)的增減。通過修改Z-Stack協(xié)議棧完成網(wǎng)絡(luò)組建、設(shè)備入網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集,并在IAR EWB開發(fā)環(huán)境下調(diào)試運(yùn)行。[8]

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與STM32主控制器相連，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)所有的終端節(jié)點(diǎn)，故網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也稱作是協(xié)調(diào)器。主要工作有組建網(wǎng)絡(luò)、增加和刪除終端節(jié)點(diǎn)、查詢網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)目、周期性檢查整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況、接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)、信息識(shí)別、傳輸信息至控制中心、接收控制中心控制命令和將控制命令發(fā)送到各終端節(jié)點(diǎn)。[9]軟件流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.3 Gateway node flow chart

主控芯片采用STM32F103RB單片機(jī)，并且嵌入了uCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)建立了與CC2530通信任務(wù)，與上位機(jī)通信任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，時(shí)鐘更新任務(wù)，界面顯示任務(wù)。[10]并且根據(jù)系統(tǒng)的要求，分配了相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)。

終端節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)是負(fù)責(zé)控制各傳感器模塊，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有1個(gè)唯一的地址，執(zhí)行整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功能。[11]具體包括啟動(dòng)控制傳感器模塊、接收傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)參數(shù)及類型數(shù)據(jù)、檢測(cè)有無(wú)可用的無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)、申請(qǐng)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)參數(shù)、接收控制指令。[12]軟件流程如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.4 Terminal node flow chart

3.性能測(cè)試

為測(cè)試監(jiān)控分站及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的性能，在完成一系列的設(shè)計(jì)制作之后，將所有設(shè)備與上位機(jī)進(jìn)行連接組建一個(gè)模擬測(cè)試環(huán)境。在進(jìn)行的三次測(cè)試中，所有設(shè)備正常運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目的，檢測(cè)結(jié)果取三次平均值顯示如表1所示。

表1 模擬測(cè)試監(jiān)測(cè)結(jié)果Table1 Simulation test results

4.結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)，能很好的滿足遠(yuǎn)程監(jiān)視礦井安全的需要，減小了煤礦事故發(fā)生的頻率。有利于實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化。該無(wú)線傳輸技術(shù)可以減少電纜的鋪設(shè)，安裝方便易于擴(kuò)展，降低成本。本系統(tǒng)不僅能應(yīng)用在井下監(jiān)控，還可以應(yīng)用在樓宇、倉(cāng)庫(kù)、停車場(chǎng)等場(chǎng)合，有很廣的應(yīng)用前景。

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編輯：董剛

Design of Coal Mine Monitoring System Based on ZigBee Technology

CHEN Liang，LI Jingzhao
（Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001）

In order to better monitor the safety hidden trouble existing in underground coal mine,this paper puts forward a system design scheme of applying ZigBee wireless monitoring technology in the construction of mine monitoring.The system mainly consists of two parts,divided into upper computer system sensor monitoring substation lowercomputer system and the ground control center,using ZigBee wireless technology to the mine site temperature and humidity,gas concentrations and other environmental parameters in realtime acquisition and data transmission and display.This paper introduces the hardware and software structure of the system design,and the test run in the simulation environment,the results show the effectiveness of the system and the accuracy of the technology that cable monitoring,compared with the traditional cost saving,convenient installation,easy to expand.

ZigBee；sensor；wireless network；CC2530；monitoring

TD76

A

2095-7327（2017）-09-0030-04

陳亮（1987-），女，安徽青陽(yáng)人，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)智能控制。李敬兆(1963-),男，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授，博士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61170060)煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層感控異構(gòu)融合理論與技術(shù)基礎(chǔ)研究。