基于ZigBee 技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

阮東鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048000）

1 概況

煤礦本質(zhì)安全主要是形容設(shè)備的電氣系統(tǒng)能進(jìn)行自我保護(hù)的能力。影響煤礦生產(chǎn)本質(zhì)安全的主要因素包括人員本質(zhì)安全、設(shè)備本質(zhì)安全、環(huán)境本質(zhì)安全。人員的本質(zhì)安全可以通過專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)、專業(yè)訓(xùn)練等得到保障，而環(huán)境與設(shè)備的本質(zhì)安全就依賴于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。我國煤礦事故時(shí)有發(fā)生，一大因素就是現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控方面存在較大的問題與不足，從煤礦安全角度入手進(jìn)行研究，應(yīng)用新型的數(shù)字傳感技術(shù)，對煤礦生產(chǎn)設(shè)備與人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)對裝備與人員的保護(hù)。以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)成莊煤礦為研究對象，基于該礦生產(chǎn)環(huán)境，采用終端CAN 總線與ZigBee 通信模塊技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，以期達(dá)到降低煤礦安全事故的目的。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)成莊煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求特點(diǎn)以及應(yīng)用環(huán)境，可以確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及工作要點(diǎn)。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則主要有：安全性、可靠性；技術(shù)先進(jìn)性，應(yīng)采用先進(jìn)的硬件與軟件控制技術(shù)；標(biāo)準(zhǔn)化，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)接口，增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性與設(shè)備兼容性；經(jīng)濟(jì)適用性，即在滿足使用要求的前提下盡量降低成本。

煤礦監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要包括數(shù)據(jù)采集層、信號傳輸層以及數(shù)據(jù)分析層。系統(tǒng)通信方案設(shè)計(jì)選用ZigBee 無線通信技術(shù)和CAN總線技術(shù)相結(jié)合的方式，該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性以及井下適應(yīng)能力，具有較好的抗爆能力。ZigBee無線通信技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)靈活、功耗低、維護(hù)方便等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集模塊首先將設(shè)備的信號采集并集中整理，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并得出設(shè)備的狀態(tài)信息。

圖1 煤礦監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of coal mine monitoring system

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)模塊的主要功能是接收整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化、處理、存儲(chǔ)，最后通過CAN 總線發(fā)送到監(jiān)控分站。網(wǎng)關(guān)模塊主要硬件包括微處理器以及信號處理微型芯片，在此根據(jù)實(shí)際功能的需求選擇西門子公司生產(chǎn)的STM-CT6 型微處理器以及CC2530 芯片，網(wǎng)關(guān)模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)模塊硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of gateway module

3.1.2 ZigBee 模塊

ZigBee 模塊主要負(fù)責(zé)信號的接收與發(fā)送，這種節(jié)點(diǎn)的無線發(fā)射功率大且接收信號的靈敏度比較高，通信傳輸距離較長，適用于煤礦井下通信使用。ZigBee 模塊采用的是CC2530 芯片，該型芯片是專門用于信號采集與發(fā)送的單芯片，具有高頻收發(fā)器、低成本、內(nèi)存較大、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)收集存儲(chǔ)系統(tǒng)臨時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供安全保障，系統(tǒng)連接外部存儲(chǔ)的芯片采用CH376，該芯片處理器具有較好的存儲(chǔ)功能，可提供12 MHz 的SPI 通信接口以及最高3 Mbps 速度的異步串口。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心處理器選用的是ARM 公司開發(fā)的STM76TGY8 型微型處理芯片，該處理器具有數(shù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)預(yù)警等功能，監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求是首先對傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析，該系統(tǒng)的軟件控制程序基于Keil Vision8 為開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程。該開發(fā)平臺(tái)是一款基于VC++ 語言的開發(fā)軟件，具有較好的通用性與兼容性。系統(tǒng)軟件的主要設(shè)計(jì)程序包括數(shù)據(jù)采集程序、網(wǎng)關(guān)通信程序、數(shù)據(jù)處理程序路由器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)，上位機(jī)操作系統(tǒng)等軟件的設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

完成系統(tǒng)的軟件與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需對其功能進(jìn)行試驗(yàn)測試，以確保系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。以煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)溫度監(jiān)控與無線網(wǎng)絡(luò)通信為例，對其功能測試做簡要介紹。

4.1 溫度參數(shù)監(jiān)控

安全監(jiān)控系統(tǒng)的溫度監(jiān)控對保障井下安全具有重要意義，試驗(yàn)主要針對溫度變化情況搭建試驗(yàn)平臺(tái)測試。該試驗(yàn)平臺(tái)主要硬件設(shè)備包括Zig Bee 模塊（CC2530）、電源、GWSD100 型溫度傳感器、計(jì)算機(jī)、SD 存儲(chǔ)卡、信號微處理器等。試驗(yàn)時(shí)首先將各硬件設(shè)備連接好，在控制計(jì)算機(jī)上，通過調(diào)試助手觀測傳感器模塊所采集溫度信息，并與試驗(yàn)環(huán)境實(shí)際測量的溫度進(jìn)行對比，系統(tǒng)所采集的溫度情況見表1。

表1 溫度測試結(jié)果Table 1 Temperature test results

4.2 無線通信測試

根據(jù)成莊煤礦礦井的特點(diǎn)，選擇2 棟教學(xué)樓樓道為試驗(yàn)場景。為了搭建無線通信測試試驗(yàn)平臺(tái)，需準(zhǔn)備的硬件設(shè)備包括ZigBee 模塊、電源、GWSD/100 型傳感器、計(jì)算機(jī)、USB 轉(zhuǎn)串口線、USB 轉(zhuǎn)TTL 數(shù)據(jù)線、SD 存儲(chǔ)卡等。

試驗(yàn)時(shí)連接好各試驗(yàn)設(shè)備，其中一個(gè)ZigBee模塊與微處理器相連接，另外一個(gè)ZigBee 模塊通過USB 數(shù)據(jù)接收線與中央控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接；接通測試平臺(tái)電源，將傳感器監(jiān)測到的溫度信息進(jìn)行無線傳輸；移動(dòng)ZigBee 模塊，改變距離，重復(fù)多次試驗(yàn)，將每次測試的數(shù)據(jù)結(jié)果做好詳細(xì)的記錄，驗(yàn)證ZigBee 模塊的信號傳輸能力，并計(jì)算其信號傳輸過程中的丟包率。

測試結(jié)果顯示，2 個(gè)ZigBee 模塊在不同的距離以及障礙物的作用下，信號傳遞效率具有明顯差異，當(dāng)傳遞距離為200～300 m 時(shí)，模塊可以正常接收數(shù)據(jù)，沒有發(fā)生丟包的現(xiàn)象，通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳遞；當(dāng)傳遞距離為400～500 m 時(shí)，信號傳遞出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；當(dāng)距離大于500 m 時(shí)，發(fā)生比較明顯的數(shù)據(jù)丟失情況，無法有效完整地傳遞信號。說明ZigBee 模塊的有效距離為300 m。

5 結(jié)語

針對成莊煤礦安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與系統(tǒng)可靠性等方面存在較多不足的問題，基于該礦生產(chǎn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一套煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，以達(dá)到降低煤礦安全事故的目的。根據(jù)煤礦生產(chǎn)的特點(diǎn)，采用終端CAN 總線與ZigBee 通信模塊技術(shù)為基礎(chǔ)，對安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了簡要介紹，然后根據(jù)需要對安全監(jiān)控系統(tǒng)的各分系統(tǒng)進(jìn)行了測試，由于篇幅所限只列出了溫度參數(shù)監(jiān)控與無線通信測試2 類測試試驗(yàn)。測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對成莊煤礦的安全監(jiān)控，提高了煤礦安全生產(chǎn)可靠性。