基于ZigBee協(xié)議的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

楊珅 馬斌 范強(qiáng) 彭光宇

【摘要】? ? 根據(jù)煤礦井下實(shí)際工況和復(fù)雜環(huán)境，本文提出利用ZigBee協(xié)議棧來搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。選擇CC2530芯片和常用傳感器，利用CC2530芯片的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，來完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和節(jié)點(diǎn)之間的無線通信。

【關(guān)鍵詞】? ? 煤礦井下? ? Z-Stack? ? CC2530? ? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

引言：

中國是煤炭資源大國，煤炭也是保障我國工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的重要資源，因此煤炭的產(chǎn)量將直接關(guān)系到我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。然而煤礦井下特殊復(fù)雜的環(huán)境，也使得傳感器數(shù)據(jù)的有線傳輸存在通信成本高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面小、移動(dòng)不方便等缺點(diǎn)[1]。采用ZigBee協(xié)議搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)采集煤礦井下的溫濕度、瓦斯氣體濃度和煤礦機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)等常規(guī)信息，然后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，可實(shí)現(xiàn)煤礦井下的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有利于提高煤礦生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)效率，對(duì)煤礦井下的智能化發(fā)展具有重要意義。

一、ZigBee概述

ZigBee是一種能夠進(jìn)行短距離無線通信的協(xié)議，具有低速率傳輸、組網(wǎng)容量大、通信穩(wěn)定以及成本低等特點(diǎn)。ZigBee協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟主導(dǎo)開發(fā)，協(xié)議的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由該聯(lián)盟所定義。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，基于ZigBee協(xié)議的無線通信技術(shù)能夠廣泛運(yùn)用到多種類型的場(chǎng)景中，包括當(dāng)前發(fā)展迅速的民用和工業(yè)市場(chǎng)[2]。由于ZigBee是一種標(biāo)準(zhǔn)化的無線通信協(xié)議，因此生產(chǎn)商能夠利用ZigBee協(xié)議來開發(fā)通信可靠、組網(wǎng)穩(wěn)定、價(jià)格便宜且能耗較低的產(chǎn)品。

如圖1所示， 一個(gè)基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)包含有四層結(jié)構(gòu)，自下到上分別是物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）以及應(yīng)用層（APL）。其中，下面的物理層和MAC層是由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)來定義，而上面的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層則由ZigBee聯(lián)盟來定義[3]?；赯igBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能夠使用868MHz、916MHz和2.4GHz這三個(gè)頻段進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通訊。如果將圖1所示的各層協(xié)議集成在一起，就能夠組成ZigBee協(xié)議棧。ZigBee協(xié)議?？梢酝ㄟ^函數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)，技術(shù)開發(fā)人員可直接在最上面的應(yīng)用層上調(diào)用這些函數(shù)。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)最常見的星形結(jié)構(gòu)中，從機(jī)的數(shù)量理論上可達(dá)254個(gè)，且在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)能同時(shí)存在上百個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。如果使用Mesh結(jié)構(gòu)來組網(wǎng)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量能夠達(dá)到驚人的65536個(gè)。因此，在煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境中，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置大量的節(jié)點(diǎn)來采集需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并通過ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

二、節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本文旨在使用ZigBee協(xié)議構(gòu)建一個(gè)星形的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)若干個(gè)傳感器的信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，有若干個(gè)終端設(shè)備用來采集不同的傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)這些終端設(shè)備采集到傳感器的數(shù)據(jù)后，能夠通過ZigBee協(xié)議將這些傳感器數(shù)據(jù)無線發(fā)送給給協(xié)調(diào)器模塊。當(dāng)協(xié)調(diào)器模塊接收到來自其他終端設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和異常報(bào)警等功能。

2.1處理器模塊

節(jié)點(diǎn)硬件選型的核心在于芯片選型，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景的使用需求，本文最終選擇了由TI公司研發(fā)的下一代芯片，即CC2530芯片作為節(jié)點(diǎn)中的處理器。CC2530芯片集成了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器和8051 微控制器內(nèi)核，具有可編程的閃存，并配置了8KB RAM[5]。經(jīng)測(cè)試CC2530芯片的無線傳輸速率可以達(dá)到250kbp/s， 傳輸數(shù)據(jù)的距離理論上可以達(dá)到200米左右。 CC2530模塊如果用作終端節(jié)點(diǎn)，大部分時(shí)間可以處在休眠模式，因此能夠滿足煤礦井下對(duì)低能耗的要求。

2.2傳感器模塊

本文選擇了幾種常見的傳感器模塊，來模擬煤礦井下的實(shí)際需求，分別是MQ-7一氧化碳傳感器、DHT11溫濕度傳感器和HC-SR04超聲波距離傳感器。這些傳感器可以用來實(shí)時(shí)檢測(cè)煤礦井下的一氧化碳濃度、空氣中的溫濕度和煤機(jī)設(shè)備與障礙物之間的距離等關(guān)鍵信息，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，因此可以用來預(yù)防煤礦井下的一氧化碳超限、透水事故或煤機(jī)設(shè)備碰撞事故等。利用CC2530芯片和Z-Stack協(xié)議棧，可以完成對(duì)上述傳感器的信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸，從而建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.3 電源模塊

由于使用ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾什皇呛芨?，在正常工作時(shí)CC2530芯片的功耗也較小，因此若使用兩節(jié)5號(hào)AA電池的情況下，理論上就可以使CC2530芯片維持長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的使用時(shí)間?？紤]到煤礦井下特殊惡劣的環(huán)境，可選擇容量大、可靠性高、便于更換的高性能電池。本文使用的所有終端設(shè)備，均選用兩節(jié)5號(hào)AA電池來供電。

三、通信軟件部分

由于芯片選用的是TI公司研發(fā)的CC2530芯片，因此需使用該公司的Z-Stack協(xié)議棧來構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文使用IAR Embedded Workbench for MSC-51 V8.10作為該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)環(huán)境，簡(jiǎn)稱IAR，是知名的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件，符合C語言標(biāo)準(zhǔn)的要求。

Z-Stack協(xié)議棧一般情況下采用事件循環(huán)機(jī)制來運(yùn)行。具體來講，Z-Stack協(xié)議棧的每一層都會(huì)使用一個(gè)任務(wù)事件處理函數(shù)，能夠用來處理該函數(shù)所在層中的各種事件[6]。這些函數(shù)可以看作是每層相對(duì)應(yīng)的一個(gè)任務(wù)，由OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）負(fù)責(zé)總體的調(diào)度，這通常是一個(gè)無限循環(huán)的過程。 由于Z-Stack協(xié)議棧的操作信息都被封裝在相應(yīng)的庫中，因此技術(shù)開發(fā)者在使用Z-Stack協(xié)議棧構(gòu)建不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，僅需要調(diào)用相應(yīng)的API接口即可。

本文設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信方式為單播通信，這意味著所有的終端設(shè)備都非常清楚地知道接受模塊的網(wǎng)絡(luò)地址，然后將傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到該接受模塊，即本系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器模塊。 在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，通過調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，該函數(shù)名為AF_DataRequest（）。在這個(gè)函數(shù)中包含有很多重要的參數(shù)，包括目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地址信息、端點(diǎn)信息、集群ID和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等。

協(xié)調(diào)器模塊接收到來自其他節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)后，將根據(jù)aflncomingMSGPPacket_t結(jié)構(gòu)體提取接受到的傳感器數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意的是，這個(gè)結(jié)構(gòu)體包含諸如事件、端點(diǎn)、集群等信息。在協(xié)調(diào)器模塊上安裝一個(gè)TFT屏幕，可以用來顯示來自其他節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)高于預(yù)設(shè)的臨界值，則蜂鳴器會(huì)報(bào)警。

四、通訊距離及遠(yuǎn)程監(jiān)控

假設(shè)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處在理想的真空介質(zhì)下，并且發(fā)射天線和接受天線均設(shè)為一樣的增益，根據(jù)射頻傳輸理論，如果設(shè)定ZigBee節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為2.8mW，在2.4GHz的頻段下進(jìn)行通信，兩個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的傳播距離經(jīng)計(jì)算可以達(dá)到200米。 然而，受到諸多外部因素的影響，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離很難達(dá)到理想的狀態(tài)。在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用中，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)受到不規(guī)則巷道、煤機(jī)設(shè)備或其他電磁干擾的影響，使電磁波發(fā)生繞射，進(jìn)而影響其信號(hào)傳播的能力。 此外，如果終端設(shè)備一直處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的多普勒現(xiàn)象也可能會(huì)影響ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。

本文使用了TI公司開發(fā)的Packet Sniffer軟件和CC2531芯片（基于 CC2530芯片的基礎(chǔ)上增加了USB 2.0接口），能夠獲取基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信時(shí)的數(shù)據(jù)包，因此可用來進(jìn)行抓包實(shí)驗(yàn)。在井上空曠的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，兩個(gè)CC2530模塊在100米的范圍內(nèi)可以提供穩(wěn)定的傳感器數(shù)據(jù)傳輸，而傳輸距離超過100米后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)包的丟失。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量大，在煤礦井下使用時(shí)，可以增加CC2530模塊的數(shù)量，以彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)之間傳輸距離的損失。

基于ZigBee協(xié)議的煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以連接到互聯(lián)網(wǎng)中，這需要通過網(wǎng)關(guān)在不同協(xié)議之間進(jìn)行切換，然后使用上位機(jī)軟件即可實(shí)現(xiàn)煤礦的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，如圖1所示。

因此基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)嵌入到目前主流的通信網(wǎng)絡(luò)中，這正好可以彌補(bǔ)ZigBee技術(shù)本身的局限性。

五、結(jié)束語

本文使用CC2530芯片和Z-Stack協(xié)議棧，選擇了能夠模擬煤礦井下實(shí)際需求的傳感器，開發(fā)了一個(gè)“多對(duì)一”的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備通過傳感器來采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，然后通過CC2530芯片和Z-Stack協(xié)議棧中相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸。經(jīng)過測(cè)試，所有終端設(shè)備均能夠準(zhǔn)確地采集三種傳感器的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器模塊中。經(jīng)過通信距離的測(cè)試和ZigBee技術(shù)自身組網(wǎng)的大容量、功耗小、成本低等特性，使得基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠適用于煤礦井下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]寧傳文.ZigBee在煤礦井下人員定位中的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（12）：182-184.

[2]肖紫陽. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]李航. 基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能停車場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西華大學(xué)，2014.

[4]劉濤濤. 基于ZigBee技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué)，2014.

[5]莫莉，喻洪平，趙悅，宮霞霞.基于ZigBee煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].煤炭技術(shù)，2018，37（09）：319-322.

[6]伍迎節(jié). 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)的起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].華東交通大學(xué)，2014.