基于ZigBee的礦井巷道表面位移監測實驗系統

冀英超，程永強

(太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024)

實際教學中學生學習煤礦機電類專業實驗課程時通常使用開發板進行學習，不能與實際工程相結合。本實驗結合山西本地資源優勢，以煤礦安全為背景，設計了基于ZigBee的巷道表面位移監測實驗系統[1-2]。采用無線射頻通信技術，通過分布在巷道中的通信分站將采集巷道表面位移數據發送至系統控制總站進行處理，達到實時監測煤礦巷道安全參數的目的。

該系統涉及模擬電路處理、數字電路設計、微機原理、射頻通信、嵌入式操作系統及本質安全防爆等技術。通過實驗開發使教學更具有直觀性、實踐性、綜合性和創新性，不僅可以鞏固學生學習電子技術基本的技能，促使理論知識的靈活應用，而且還可以實現理論知識與實際工程相結合，使學生在設計開發項目時不但要思考具體技術的實現，還要仔細考慮具體工程的條件及需求[3]。

1 ZigBee技術及系統原理

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低數據速率、低成本的無線網絡技術，基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。物理層定義了868～868.6 MHz、902～928 MHz和2 400～2 483.5 MHz 3個載波頻段用于收發數據，數據傳輸速率分別為20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s，傳輸距離最遠可達100 m，增加了發射功率增強芯片后可達幾千米，可以通過網關設備與以太網、GPRS實現無縫連接，實現了低成本的實時監控及無線組網傳輸數據的功能[4-5]。

1.2 系統原理

礦井巷道表面位移作為礦壓觀測的重要內容之一，它綜合反映了應力、應變、溫度及各種生產要素等因素耦合后對巷道圍巖的影響，也是巷道圍巖發生的最為直觀的形變，包括兩幫相對移近量和頂板下沉量。由于不同的地質條件，巷道內一般間隔30～50 m設置一個測量斷面，來設置測量基點。

基于ZigBee的礦井數據采集系統由控制總站和通信分站組成，通信分站分布于煤礦巷道中的測量斷面處，系統布局如圖1所示。

圖1 系統布局示意圖

通信分站負責采集數據，通過“線型”無線網絡將采集到的數據發送至控制總站，總站對數據進行存儲及處理，并能夠通過數據分析對突發情況進行應急反應，對發生異常情況的通信分站進行報警，同時配有友好的人機交互界面，可以實時查詢各個通信分站的歷史數據，實現對巷道安全參數的實時監測。

通信分站包括2個超聲波測距節點，分別測量左右幫移近量和頂板下沉量，位于頂板處的測距節點作為本測量斷面的數據通信分站，用于不同測量斷面之間的數據通信，同時負責頂板下沉量的數據采集。測量斷面示意圖如圖2所示。

圖2 測量斷面示意圖

當某個斷面的通信分站(即位于頂板的測距節點)收到數據采集命令后向位于幫上的測距節點發送數據命令，位于幫上的測距節點數據采集完成后通過無線發送至本測量斷面的通信分站，通信分站收到數據后與自身采集到的數據進行打包發往下一個測量斷面處的通信分站。

2 系統硬件設計

2.1 控制總站硬件設計

控制總站由主控制芯片模塊、通信模塊、觸摸屏模塊、存儲模塊以及電源模塊等五部分組成，結構框圖如圖3所示。

圖3 控制總站結構框圖

2.1.1 主控制芯片模塊

控制總站采用ST公司基于ARM Cortex-M3內核STM32F103VET6作為主控制芯片，具有高性能、低成本、低功耗等特點，當時鐘頻率為72 MHz時，從閃存執行代碼、STM32功耗36 mW，是32位處理器市場上功耗最低的產品，相當于0.5 mA/MHz[6]。同時嵌入微型嵌入式系統μC/OS，結合ucGUI實現人機交互界面。

2.1.2 通信模塊

通信模塊包括以太網通信模塊和ZigBee射頻通信模塊。控制總站設有以太網標準接口，方便與計算機之間進行數據傳輸。采用ENC28J60芯片作為以太網控制器，與主控芯片之間接口采用SPI模式。

ZigBee通信模塊采用CC2530F256，該芯片具有適應2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發器，極高的接收靈敏度和抗干擾能力，支持低功耗模式，通過SPI接口與STM32主控芯片連接，實現主控芯片控制無線數據的收發。

2.1.3 觸摸屏模塊

顯示屏采用127 mm(5.0英寸)帶觸摸功能的TFT液晶屏，驅動芯片為SSD1963，利用CPU的FSMC功能進行驅動，通過觸控可以實現對系統的命令設置以及數據的查詢收發等功能。

2.1.4 存儲模塊

存儲芯片采用3片M25P64閃存芯片，每片容量為64 Mbit，可以對系統1年的數據進行存儲，滿足煤礦巷道數據容量要求。主控芯片利用SPI串行接口進行高速讀寫，操作方便。

2.1.5 電源模塊

電源芯片采用TI公司的tps63001，具有1.8～5.5 V的寬輸入電壓范圍，高達96%的效率，1.2 A的輸出電流[7]滿足了控制總站的供電要求。

2.2 通信分站硬件設計

通信分站主控芯片采用TI公司的CC2530F256，除具有RF收發器外，還結合了業界標準增強型8051 CPU，內部具有256 KB閃存(Flash)，具有豐富的外設[8]。通信分站結構如圖4所示。

圖4 通信分站結構框圖

超聲波測距傳感器采用KS103，探測距離為1～10 m，包含實時溫度補償，探測精度達到±5 mm，使用IIC接口與主控芯片通信，通信速率為50～100 kbit/s；采用獨特的可調濾波降噪技術，電源電壓受干擾時仍可正常工作；采用納瓦技術省電，可自動進入μA級耗電休眠狀態，隨時可被主控芯片IIC控制指令喚醒。

為了保證巷道中信號的有效傳輸，需要保證理想的RSSI(接收信號強度指示)，CC2530前端增加了功放芯片CC2591進行功率放大，使發射功率增加到了20 dBm，即使在150 m也能保證理想的RSSI，滿足了系統的需求。

考慮到通信分站安裝的靈活性，通信分站采取19 Ah鋰電池供電，可以使系統正常工作1年左右，同時配有電池電量檢測功能，當電量不足會發送提示信息，結合巷道要求通信分站生命周期為1年，滿足系統要求。穩壓電源采用TI公司超低工作電流的3.3 V低紋波電源芯片tps60211，系統休眠時工作電流僅為2 μA[7]，系統喚醒后又可以正常工作，有效地降低了系統的功耗。

3 系統軟件設計

3.1 控制總站軟件設計

μC/OS是一種基于ROM運行的、可裁減的、搶占式、實時多任務內核，具有高度的可移植性，特別適合于微處理器和控制器，采用時間片輪轉法進行任務之間的切換[9]。STM32嵌入μC/OS微型操作系統，建立3個任務，分別是用戶界面任務、觸摸屏任務和時間任務。主程序框圖如圖5所示。

圖5 控制總站主程序框圖

用戶界面任務和觸摸屏任務主要實現ucGUI控件的編寫以及底層響應，用戶可以通過液晶屏實現通信分站的初始化、時間校準、數據查詢等功能，最主要的功能是實現與通信模塊的通信，實現命令的發送、數據的接收以及數據的上傳等功能；時間任務主要為系統提供穩定可靠的系統時間，利用信號量和郵箱進行任務間的通信及同步，實現任務間的互相聯系和對臨界資源的訪問。

3.2 通信分站軟件設計

由于煤礦巷道的特殊性，通信分站呈線性分布，考慮到系統對功耗的要求，未采用TI提供的Z-Stack協議棧，而是采用了自定義數據通信協議。通信分站程序流程圖如圖6所示。

整個網絡系統中以設備的ID為身份標志，每個通信分站都有唯一的網絡地址作為其身份ID，通信分站出廠時均為0x0000、控制總站為0x0001；使用控制總站為通信分站設置地址，按照距離控制總站的遠近依次分配0x0002，0x0003，0x0004…直至最后一個通信分站。

分配完地址后各個通信分站處于等待時間同步命令狀態，通過控制總站發送時間同步命令，通信分站收到同步時間命令后進行時間同步，同時將同步時間命令發向下一個通信分站，當最后一個通信分站收到同步時間命令后進行時間同步；然后采集數據發向上一個通信分站，上一個通信分站收到數據后將自己采集到的數據與收到的數據進行重新打包繼續發往上一個通信分站，以此類推直至發送至控制總站，各個通信分站數據發送成功后自動進入休眠狀態。當喚醒時間到，各個通信分站處于接收同步時間狀態，重復上述通信過程。通信期間若有通信分站出現故障，可以自動向故障分站的上一站發送數據，從而可以保證系統的穩定性，避免個別通信分站出現故障導致系統的癱瘓。

4 本質安全

井下電子設備必須進行本質安全設計，本質安全指電路在正常使用或出現故障時產生的電火花或熱效應的能量小于0.28 mJ(B級防爆)[8]。系統控制總站和通信分站的設計完全符合國標GB3836.2—2010和GB3836.4—2010，電路和外殼均符合隔爆要求。

圖6 通信分站程序流程圖

5 實驗與結果

基于此實驗系統進行了測試實驗，用木板模擬煤礦巷道模型，移動木板間距表示巷道表面的位移，通過高精度激光測距儀進行測量得到標準值，從控制總站得到通過無線發送回來的測量值。二者的比較見表1。

表1 標準值與測量值比較表

從表1中可以看出：測量結果絕對誤差在±5 mm以內，滿足了巷道表面位移測量精度的要求，且無線發送和接收穩定可靠，達到了工業監測的設計目標。

6 結論

通過對基于ZigBee的礦井巷道表面位移監測實驗系統的開發，可以實現數據的采集和無線組網收發、掉電數據不丟失等功能，性能可靠。網絡框架滿足大多數監測系統的使用，成本低廉，方便在實驗室中進行項目開發，為物聯網技術在礦業中的應用提供了便利的開發平臺，達到了實踐教學的目的。此外，由于該系統可應用于工業現場，因此還可以進行頂板離層儀、瓦斯監測儀、錨桿錨索應力計等煤礦安全實際產品以及人員定位系統的開發。

[1] 齊立磊,王超.基于ZigBee的礦井無線傳感器網絡監測系統的設計[J].煤礦機械,2013,34(9):252-254.

[2] 羅巍巍,徐曉.基于ZigBee和RFID的喚醒流水線檢測系統設計[J].傳感器與微系統,2013,32(11):98-100.

[3] 蔣增強,鄂明成.工業工程實驗體系研究[J].實驗室研究與探索,2013,32(10):90-92.

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[5] 高守瑋,吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[6] 王鐵流,李宗方.基于STM32的USB數據采集模塊的設計與實現[J].測控技術,2009,28(8):37-40.

[7] 梁艷超,程永強.基于ZigBee的礦井數據采集綜合實驗平臺[J].實驗技術與管理,2013,30(10):114-116,128.

[8] 郭陽雪,孔祥洪.基于物聯網的赤潮監測系統[J].實驗室研究與探索,2013,32(3):21-25.

[9] Jean J.Labrosse.嵌入式實時操作系統μC/OS-2[M]：北京：北京航空航天大學出版社,2003.