基于ZigBee 的井下探測(cè)小助手設(shè)計(jì)

楊朵++陳君華

摘要：煤炭是我國一種十分重要的資源，其中關(guān)于煤炭的安全生產(chǎn)一直以來都是人們關(guān)注的問題。目前，大多數(shù)礦井使用的井下探測(cè)工具結(jié)構(gòu)簡單，傳感器單一，滿足不了井下工作面復(fù)雜環(huán)境的要求。該文針對(duì)井下探測(cè)設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)并集成了溫濕度、超聲波、一氧化碳、光照強(qiáng)度和紅外線檢測(cè)總共5種傳感器檢測(cè)的井下探測(cè)小助手。該探測(cè)小助手對(duì)于井下環(huán)境數(shù)據(jù)采集良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；傳感器；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸；井下探測(cè)

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）11-0261-03

Abstract： Coal is a very important resource in our country， among which the safety production of coal has been the concern of people. At present， most of the underground detection tools used in the mine are simple in structure and single in the sensor， which cant meet the requirements of the complex environment of the underground working face. In this paper， we has designed a based on ZigBee technology and integrated the temperature and humidity， ultrasonic， carbon monoxide， light intensity and infrared detection of a total of 5 kinds of sensors detect small underground detection assistant. The detection of small assistant for underground environment data acquisition， data transmission stability， has a certain application value.

Key words： ZigBee； sensor； data collection； data transmission； Downhole probe

我國在改革開放以后，科學(xué)技術(shù)得到迅速發(fā)展，人們對(duì)于生活的要求越來越高，其中對(duì)于能源的消耗也越來越多。煤炭是工業(yè)生產(chǎn)的主要能源，其需求量增長迅速。我國作為世界上主要的產(chǎn)煤國之一，其煤產(chǎn)量約占世界煤產(chǎn)量的40%，地下開采是主要的開采形式[1]。但礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，容易發(fā)生各種事故。其中火災(zāi)和洪水等自然災(zāi)害、開采條件的不完善、作業(yè)環(huán)境較差等因素造成了事故的頻繁發(fā)生，給國家?guī)砹藝?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失以及人口死亡率的提高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的相關(guān)資料顯示，僅2011一年全國煤礦事故就發(fā)生了1201起，造成了1973人傷亡。雖然近年來我國煤炭事故安全系數(shù)得到了很大的提高，但是相對(duì)其他國家如美國來說安全管理和安全生產(chǎn)水平仍然存在很大的差距[2]。煤礦開采的安全性和可靠性跟井下的地質(zhì)環(huán)境、開采的技術(shù)設(shè)備、礦工的技能等因素息息相關(guān)。井下各種窒息性氣體是伴隨著煤的形成而產(chǎn)生的，它對(duì)于人體進(jìn)行井下作業(yè)帶來了很大的安全隱患，因此對(duì)于井下相關(guān)氣體濃度的探測(cè)和控制是十分有必要的，也是礦井行業(yè)安全監(jiān)測(cè)的重中之重。當(dāng)然，這只是礦井行業(yè)需要考慮的一方面而已。另外，對(duì)于井下環(huán)境濕度、溫度、光照強(qiáng)度等參數(shù)的實(shí)時(shí)探測(cè)也是必不可少的。

1 井下探測(cè)相關(guān)研究現(xiàn)狀

煤礦井下環(huán)境探測(cè)可以利用機(jī)器人來代替人進(jìn)入人不能進(jìn)入或者不適宜進(jìn)入的危險(xiǎn)環(huán)境中。人類通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)來操作機(jī)器進(jìn)行井下環(huán)境的探測(cè)，機(jī)器將傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)骄系牟僮魅藛T，從而給礦井作業(yè)提供有用的參考。

煤礦機(jī)器人是一種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的特種機(jī)器人，目前在這方面所進(jìn)行的研究有很多。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，可以得知在我國進(jìn)行井下探測(cè)方面的研究成果主要有如下這些。

針對(duì)硬件相關(guān)方面的成果有：魏毅龍?jiān)趯W(xué)術(shù)論文中首先結(jié)合煤礦事故分析了機(jī)器人的使用策略和作用，并針對(duì)機(jī)器人所面對(duì)的井下地形環(huán)境和氣體環(huán)境提取出了相應(yīng)的參數(shù)。其次，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)器人模型并進(jìn)行了性能評(píng)估。最后，對(duì)設(shè)計(jì)出的機(jī)器人模型工進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真，再次驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性[3]。胡晗提出了一種帶機(jī)械手臂的煤礦井下探測(cè)機(jī)器人，并從運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)造型、正向越障角度規(guī)劃和樣機(jī)仿真等相關(guān)方面展開了研究。毛楊明在其論文中對(duì)煤礦井下探測(cè)機(jī)器人的動(dòng)力模塊和電源模塊展開了相關(guān)研究，并最終設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于井下探測(cè)的機(jī)器人電機(jī)和配套電源。并且通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行了防爆檢驗(yàn)和電源的安全技術(shù)測(cè)試，表明了設(shè)計(jì)的正確性[4]。徐剛根據(jù)井下環(huán)境探測(cè)機(jī)器人的相關(guān)研究現(xiàn)狀，最終提出了一種設(shè)計(jì)方案，該方案設(shè)計(jì)提出將擺臂驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)集成到了擺臂單元中，實(shí)現(xiàn)了一種新型的8自由度煤礦井下探測(cè)機(jī)器人[5]。

針對(duì)軟件方面的成果有：孟慶志研究了移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)體系結(jié)構(gòu)和控制模式，建立了一種有效的人機(jī)交互控制體系結(jié)構(gòu)模型。它融合了層次式的相關(guān)控制體系，能夠?qū)⑷说木C合判斷推理融入系統(tǒng)中，使得機(jī)器更加智能。另外，基于開放性和模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了相關(guān)的系統(tǒng)分布式控制網(wǎng)絡(luò)，使得機(jī)器人系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。最后，在人機(jī)交互控制構(gòu)架下，提出了一個(gè)較為合理的探測(cè)機(jī)器人越障任務(wù)實(shí)現(xiàn)方法[6]。鄧勇軍以煤礦井下探測(cè)機(jī)器人作為研究對(duì)象，通過分析其監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)和要求，結(jié)合遠(yuǎn)程控制技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)，最終設(shè)計(jì)出了一套井下探測(cè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[7]。周巍等人針對(duì)煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計(jì)出了一種新型的井下搜救探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)裝置和相應(yīng)的控制系統(tǒng)[8]。付志超研究了井下探測(cè)機(jī)器人的自主避障問題，并結(jié)合了信息融合技術(shù)來對(duì)機(jī)器人在井下復(fù)雜環(huán)境的導(dǎo)航進(jìn)行了相關(guān)研究。最終在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所用方法的可行性[9]。

上述研究成果在井下探測(cè)機(jī)器人方面做出了很大的貢獻(xiàn)，但在針對(duì)井下復(fù)雜環(huán)境的探測(cè)方面略顯單一。因此，本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)并集成了多種傳感器檢測(cè)的井下探測(cè)小助手，在井下探測(cè)方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

本文重點(diǎn)介紹井下探測(cè)小助手的ZigBee無線傳感技術(shù)以及多種傳感器組合技術(shù)。本文接下來將詳細(xì)論述井下探測(cè)小助手的方案設(shè)計(jì)。

2 小助手方案設(shè)計(jì)

為了達(dá)到對(duì)井下復(fù)雜環(huán)境的探測(cè)需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)并集成了溫濕度、超聲波、一氧化碳、光照強(qiáng)度和紅外線檢測(cè)總共5種傳感器檢測(cè)的井下探測(cè)小助手。接下來是對(duì)小助手的具體方案設(shè)計(jì)。

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的雙向無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它具有短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低功耗以及低成本的特點(diǎn)。它主要在近距離進(jìn)行無線連接，尤其適合自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，目前在嵌入式中應(yīng)用較多?；谧陨淼臒o線電標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee可以在幾千個(gè)很小的傳感器之間進(jìn)行協(xié)調(diào)通信。傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸只需要消耗很少的能量就可以通過無線電波而實(shí)現(xiàn)。

ZigBee具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）使用成本低。ZigBee可以免費(fèi)應(yīng)用在ISM2.4GHZ的頻段上，其相關(guān)協(xié)議免收專利費(fèi)。并且在單個(gè)的ZigBee節(jié)點(diǎn)上只需花費(fèi)幾百元就可以完成。

2）功耗低。由于其發(fā)射功率只有1毫瓦，因此只需要兩節(jié)5號(hào)的電池就可以讓ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行6個(gè)多月。

3） 網(wǎng)絡(luò)容量大且組網(wǎng)方式靈活。通常在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中最多可容納255個(gè)結(jié)點(diǎn)，但是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其容納節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)65536個(gè)之多。

4）運(yùn)行可靠。ZigBee通過采取碰撞避免策略，很好地避開了數(shù)據(jù)發(fā)送的沖突和競(jìng)爭。

2.2 相關(guān)傳感器

本文所設(shè)計(jì)的井下探測(cè)小助手集成了溫濕度、超聲波、一氧化碳、光照強(qiáng)度和紅外線檢測(cè)總共5種傳感器，很好地為井上工作人員提供了有效的參考。

1）溫濕度傳感器

本文所設(shè)計(jì)的井下探測(cè)小助手采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，使得設(shè)計(jì)出的機(jī)器具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。它具有超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，另外它使用4針單排引腳封裝。連接方便。圖1為DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的部分截圖。

2）超聲波傳感器

超聲波傳感器主要對(duì)井下探測(cè)小助手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助，通過發(fā)出超聲波來進(jìn)行定位操作，測(cè)量出與障礙物之間的距離，從而進(jìn)行避障處理。當(dāng)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。由于超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即：s=340t/2。本文所采用的是超聲波傳感器為圖2所示。

3）一氧化碳傳感器

井下環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，工作人員在不了解井下空氣狀況的情況下貿(mào)然下井是十分危險(xiǎn)的。在通常狀況下，一氧化碳是無色、無臭、無味、有毒的氣體，具有可燃性，還原性和毒性。一氧化碳進(jìn)入人體之后會(huì)和血液中的血紅蛋白結(jié)合，進(jìn)而排擠血紅蛋白與氧氣的結(jié)合，從而出現(xiàn)缺氧，導(dǎo)致人體中毒。本文所采用的一氧化碳傳感器為圖3所示。

4）光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。本文所采用的光敏傳感器為圖4所示。

5）紅外測(cè)距傳感器

本文設(shè)計(jì)的井下探測(cè)小助手?jǐn)y帶紅外測(cè)距傳感器，測(cè)距范圍5～80cm，輸出模擬電壓，電壓與距離成曲線關(guān)系，可通過電壓換算出機(jī)器人距離障礙物的準(zhǔn)確距離。由于超聲波傳感器通過輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)距，測(cè)距范圍10～400cm，因此加上精確測(cè)距的紅外線傳感器，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主漫游，自動(dòng)避障。本文所采用的紅外測(cè)距傳感器為圖5所示。

2.3 小助手結(jié)構(gòu)

文中所設(shè)計(jì)的井下探測(cè)機(jī)器人安裝有ZigBee無線通訊模塊，工作人員可以使用PC連接ZigBee協(xié)調(diào)器對(duì)它進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。另外，在小助手中通過上述闡述的溫濕度、超聲波、一氧化碳、光照強(qiáng)度和紅外線檢測(cè)5種傳感器來采集井下環(huán)境的數(shù)據(jù)。圖6為井下探測(cè)小助手整體平面圖。

另外，小助手包含無線履帶，在其內(nèi)部可以看到模塊化的機(jī)器人控制電路，包含：機(jī)器人控制器、電源電路、驅(qū)動(dòng)器、通信模塊等。工作人員通過ZigBee無線傳輸模塊可以在PC上接收到小助手反饋回來的相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在PC上，通過點(diǎn)擊前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等選擇項(xiàng)可以控制小助手在井下運(yùn)動(dòng)。圖7為PC上小助手控制臺(tái)界面。

` 結(jié)語

本文通過對(duì)井下探測(cè)相關(guān)機(jī)器人進(jìn)行研究，最終設(shè)計(jì)出了一種基于ZigBee技術(shù)并集成了溫濕度、超聲波、一氧化碳、光照強(qiáng)度和紅外線檢測(cè)總共5種傳感器檢測(cè)的井下探測(cè)小助手。該探測(cè)小手對(duì)于井下環(huán)境數(shù)據(jù)采集良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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