無線傳感網在煤礦安全系統中的應用研究

李巧君，李 偉

（河南工業職業技術學院 計算機工程系，河南 南陽 473009）

近年來，隨著我國經濟的高速發展，工業生產對煤炭的需求日益增加，煤炭產量也屢創新高，然而各地煤礦瓦斯爆炸、瓦斯突出、有害氣體泄漏、巷道滲水塌方等事故時有發生，導致巨大的人員傷亡和經濟損失，煤礦安全生產狀況令人擔憂。分析事故起因，很大程度上是因為調度監控中心與礦下人員的信息溝通不及時，無法動態掌握井下各處瓦斯濃度、有害氣體濃度、粉塵濃度、溫濕度等信息，從而不能及時對潛在的危險情況做出預警和反應。

1 礦井環境中通信的特點

現有的煤礦安全監控系統中，特別是通信控制系統中在應用和管理過程中存在如下方面的特點和問題：

1）現有的監控系統多采用有線網絡或者人工采集，設備安裝的局限性大，布局不便，依賴性強，傳感器節點位置相對固定，不能及時移動，而采煤工作區域在不斷推進和改變，存在測量盲區。

2）井下巷道工作環境復雜惡劣，積水、潮濕、曲折，信號電纜易腐蝕，嚴重影響監控系統的可靠性與有效性。通信系統經常受到塌方、斷電、爆炸、滲水等情況的干擾。需要使用具有自組織和自修復能力的網絡，即使某一通信節點受損，系統還可以通過自愈手段重新選擇路由，不影響正常通信。

3）煤礦安全生產監控系統中網絡主要用于監測和控制，需要傳輸的數據量很小，對信號傳輸速度和網絡帶寬的要求不高，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗。網絡節點容量要大，需要容納大量的傳感器終端設備，覆蓋較大的范圍。

4）現有系統使用過于復雜的無線通信技術，例如GSM、WiFi等，能耗過大，占用過多通信資源，容易造成浪費，安裝維護成本較高且不易擴展。

2 ZigBee技術簡介

2.1 概 述

ZigBee是一種方興未艾的雙向無線網絡接入技術，具有工作距離短、網絡復雜度低、功耗小、數據傳輸速率低、成本低、安全可靠性高、移動便攜等特點。它是無線傳感器網絡的基礎，在工業生產、軍事國防、醫療衛生、智能交通、消費電子、智能家居等各種工作場景中感知、收集信息。

ZigBee技術工作于2.4G/868M/915 MHz的國際免執照ISM頻段，傳輸距離為10-75米，典型距離為30米，特別適用于短距離無線通信場合。ZigBee的傳輸速率為250 Kb/s，發射功率僅為1毫瓦。相對于其他無線接入技術，ZigBee大幅度地簡化了協議并且免收專利費。ZigBee的響應速度迅速，收到激勵信號從休眠激活只需15 ms，設備連接進入網絡只需30 ms[1]。網絡容量大，組網靈活，支持多種網絡拓撲結構。

2.2 ZigBee節點類型

ZigBee網絡中包含兩類設備：一種是完整功能設備（Full Function Device，FFD）。在ZigBee網絡中，FFD可以在任何拓撲結構中工作，具有3種工作狀態：承擔了網絡協調者的功能，可作為網絡協調器（coordinator）；作為路由器（router）具有轉發與路由能力；作為一個終端設備（end-device）可與網絡中任何類型的設備進行通信。

另一種是簡化功能設備 （Reduced Function Device，RFD）。它不能作為協調器和路由器，只能應用于星型拓撲結構中，與FFD通信，而不能與其他RFD通信。作為網絡中的信號的源節點和目的節點，不能起到轉發、路由的功能。FFD和RFD在硬件結構上相同但在網絡層結構中有差異。在任何ZigBee網絡中，都包含有FFD和RFD兩種設備。

除此之外，ZigBee還支持網絡主機或網關節點，起到與外部系統（Internet、WiFi）接口或協調與其他ZigBee網絡的路由作用。

2.3 ZigBee網絡結構

ZigBee協議支持3種網絡拓撲結構，即星型結構（Star）、網狀結構（Mesh）、簇樹結構（Cluster tree），如圖 1所示。 星型結構是一個輻射狀的系統，協調器（FFD）提供組織網絡和路由功能，終端節點（FFD或RFD）通過協調器完成通信，這種拓撲結構功能簡單，主要用在智能家居等領域。網狀結構中每個終端節點都可以同協調器直接進行通信，它通過無線網絡連接可提供多種數據通道，一旦某一路徑節點發生故障，則存在另一個路徑可供數據通信，是一種高可靠性的網絡，具有自組織、自修復的特征，主要應用于工業控制等領域[2]。簇樹結構是由星型結構和網狀結構結合形成的，各個子網內部都以星型連接，其主設備相互之間又構成網狀結構連接在一起。

由于2.4 GHz頻段有16個信道，每個網絡協調器節點支持255個終端節點，ZigBee網絡在單個網絡中可以支持4 000個具有高可靠性的終端設備。

圖1 ZigBee網絡結構和節點類型Fig.1 Network structure and node type of ZigBee

3 基于ZigBee技術的煤礦安全系統實現

3.1 系統架構

將ZigBee技術和無線傳感器網絡相結合，應用到煤礦安全生產監測系統中，考慮到礦井下安全生產的要求和特點，實現實時動態地采集礦井巷道中瓦斯濃度數據。整個網絡由分布于井下的若干個無線傳感器終端節點、路由器節點、協調器節點和上位機組成，其體系結構如圖2所示。

圖2 網絡體系結構圖Fig.2 Structure diagram of the network system

協調器節點是ZigBee網絡中的一種特殊的節點，擁有相對較強的處理器和較大的存儲器空間，它能實現IEEE802.15.4所規定的所有功能，負責對路由/終端節點傳輸過來的數據進行處理，然后與外部網絡相連，將數據發送給上位機。上位機與協調器節點通過光纖連接，實現對整個監控網絡的管理功能。

無線傳感器終端節點是一個小型嵌入式系統，負責傳感和信息預處理，響應監控主機指令和發送數據。將協調器節點傳來的命令信號轉發給傳感器，將傳感器采集的數據轉發給主節點，實現全雙工通信[3]。傳感器終端節點采用模塊化的設計思想，由瓦斯濃度采集模塊、微處理器模塊、無線射頻模塊、電源模塊四部分組成，結構框圖如圖3所示。

圖3 網絡節點硬件結構框圖Fig.3 Schematic diagram of the network node hardware

1）傳感器模塊：將采集的瓦斯濃度信號經過信號調理電路調整為合適的電平后，送至模數轉換器轉變為數字信號，傳送給微處理器模塊；

2）微處理器模塊：負責控制整個節點的路由管理、功耗管理等操作，存儲和處理傳感器采集的數據；

3）無線射頻模塊：負責與其他節點進行通信，交換控制消息和收發數據；

4）電源模塊：采用微型紐扣電池供電，為傳感器節點提供運行所需的能量。

傳感器節點在井下固定放置，每個節點都有16位的局部地址，作為唯一的ID，系統可以由此確定每一個節點在礦井內的地理位置。

為了能夠靈活地擴展傳輸距離，并且保證系統有足夠的冗余保證自修復，監控系統采用Mesh網絡結構。因為ZigBee Mesh是自構型網絡，其節點間是完全握手方式，使得信號可準確地到達目的節點。即便最優的通信路徑發生故障，網絡會在冗余的其他的路徑中重選路由而避免中斷，特別適合于礦井坑道內復雜多變的環境[4]。

系統工作過程如下：分布于巷道中的各傳感器節點每隔一段時間定時采樣收集瓦斯氣體濃度信息，經由路由節點傳至協調器節點，再由該節點傳入以太網，接收的數據通過光纖傳送至監控中心的上位機，當某一節點上報瓦斯濃度值超出預警范圍，系統自動報警并做出響應。

3.2 系統硬件設計

本系統的硬件設計必須要兼顧系統安全性和可靠性。全部采用低功耗器件，優先選用專業礦下傳感器，防爆且靈敏度高。

無線射頻模塊，當前業界各大芯片廠商紛紛推出ZigBee芯片，具有代表性的有CHIPCON的CC2XXX系列、JENNIC的 JN5139、FREESCALE的MC13192系列、EMBER的EM250和MICROCHIP的MJ2440五種。本設計選用CHIPCON公司的低功耗射頻收發器----無線單片機CC2530F256芯片作為終端和協調器的主控芯片，它是第一個真正的ZigBee片上系統解決方案。集成了一個增強型8051的MCU和2.4 GHz射頻前端電路，芯片內置256K可編程存儲器，能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。

瓦斯傳感器采用KGS-20低功耗可燃氣體傳感器[5]。它根據催化燃燒效應的原理工作，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，電路如圖4所示。KGS-20為專業礦用元件，具有極高的靈敏度和極快的響應速度且體積小，耗電低，應用電路簡單。

圖4 瓦斯傳感器電路圖Fig.4 Gas sensor circuit diagram

基于煤礦井下特殊應用，網絡節點采用礦井專用防爆蓄電池供電。此外，可以添加能量監測模塊以便進一步控制系統功耗。

3.3 軟件設計

以硬件模塊為基礎，軟件主要實現傳感器數據采集與處理、無線收發、閾值設定、節點定位、節點自動加入網路、數據顯示、發送接收數據等功能[6-7]。

傳感器節點的軟件工作過程為：首先進行軟硬件初始化，包括相關變量初始化、MCU初始化、網絡初始化等。初始化完成后，選擇ZigBee網絡，聯網成功進入主循環，開啟定時器，中斷超時進行數據采樣，采樣數據經AD轉換后通過SPI總線發送至MCU模塊，ZigBee模塊將采集數據通過無線網絡發送至協調器，如果收到命令，進行處理，否則就進入下一次循環。

協調器節點的軟件工作過程為：協調器節點啟動，創建ZigBee網絡，然后進入主循環，等待傳感器節點加入。當傳感器節點上電后，會自動查找空間中存在的ZigBee網絡，遇到空閑網絡即可加入，并把該節點的物理地址發送給協調器。協調器接收傳感器節點的數據后，測量數據，然后將測量結果發送給上位機。

4 結 論

設計了一種基于ZigBee技術的低功耗井下瓦斯濃度監測系統，通過使用CC2530芯片完成了傳感器節點、協調器節點的硬件與軟件設計，實現了數據的采集和無線傳輸。該系統能夠及時發現隱患并上報監控中心，以迅速采取措施，減少事故發生的可能性，降低人員的傷亡，具有實用性。

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