基于ZigBee技術的煤礦井下安全監控系統設計

（淮南礦業集團顧橋礦綜采二隊，安徽 淮南 232001）

摘 要：提出了一種基于ZigBee無線網絡應用在煤礦井下安全的系統的設計，與現有的有線設備相結合，實現了井下動態的實時監測。終端節點采集到的有關井下的溫度、濕度、氣體的濃度等數據信息通過ZigBee無線網絡送達到主控芯片，經處理后，數據信息被送達到監控中心，實現安全監控。無線傳感系統的使用，使得系統的維護簡單化、方便化，同時成本降低。

關鍵詞：煤礦;ZigBee無線技術;井下監控系統;動態監測

0 前言

井下安全監控系統指的是實時監控煤礦井下的環境參數，為地上和地下監控者提供數據參數。及時分析采集到的環境參數，預防災難的發生;如若災難已經發生，及時采取相應的措施進行救災工作，防止災難繼續擴大，同時為井下工作人員提供指示，將損失降到最低。近年來，隨著技術的進步，國家對煤礦安全預防工作的要求也越來越高。就目前而言，井下安全系統多采用有線信號傳輸，使得整個系統較為固定，移動性不好，且存在較大局限性。

煤炭在世界能源中有著舉足輕重的地位，礦井環境極其復雜，如若出現事故，將直接對生命造成威脅。因此，煤礦井下安全系統的設計有著重大的意義。實際上，由于井下環境復雜，并且工作量較大，給安全監控帶來一定程度上的困難。本文使用ZigBee無線網絡，將傳感器采集到的數據以無線傳輸的形式傳送到安全監控系統的主控芯片，工作人員及時查看處理過的數據，采取相應的方法最大肯能避免事故的發生，有效的解決了布線困難的問題。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種以短距離傳輸、低傳輸速率、低功耗等為特點的無線通訊技術，一般被廣泛應用在在工業控制中，在許多傳感器之間相互協調實現通信。在網絡層方面，可以采用星形網絡和網狀拓撲，根據節點功能的不同，將節點分為中央協調器（Coordinator）、路由節點（Router）和終端節點（FFD）。ZigBee除以上提到的優點外，還具有可靠性高、網絡容量大等特點。

2 煤礦安全監控系統的簡述

本文所設計的煤礦井下安全監控系統是將一些特定功能傳感器采集的參數如瓦斯濃度、溫度、濕度等通過Zigbee無線傳感網絡傳送到安全監控基站，經過分析處理，判斷數據是否在安全標準之內，若有異常，立即報警，在第一時間讓井下工作人員迅速做出相應的對策。同時，數據也會被傳輸到地上的安全監控中心。基站所采用的系統是S3C2410嵌入式微處理器，另有多種接口。通過CAN總線接口，數據被傳送至地上監控中心、工作人員通過顯示接口（按鍵以及LCD）實現對全部安全系統的監控和維護，無線通信模塊的主要作用是進行數據的傳輸。整個系統的大致原理如圖1所示。

3 硬件設計

由德州儀器研發的CC2530為ZigBee技術提供有效的解決方法，它能夠創建一個強大的網絡節點，來滿足ZigBee無線技術的需求，且較之于其他方案所花費的成本低了許多。此外，CC2530轉換運行模式能夠使系統的功耗降低，使之適合在條件等復雜的井下環境工作。

不同功能的傳感器分別采集數據后，通過zigbee無線網絡不斷傳送至S3C2410，檢測參數是否在安全范圍內，如有異常，主控芯片發出報警信息并發送至地上工作人員做進一步的處理。整個網絡由總舵zigbee節點組成，各種功能的傳感器即終端節點采集數據信息，傳送到協調器節點，最后數據交由S3C2410進行分析處理。

4 軟件設計

系統的軟件設計大致分為兩大部分：一部分是無線網絡傳感的設計，主要包括數據的采集、傳輸、自動將節點加入網絡、定位以及指令的接收等;另一部分是主控芯片的設計，主功能是根據ZigBee無線網絡傳輸過來的數據來監測它們是否在安全指標以內，若有異常，立即報警，并將數據傳至地上的安全監控中心。

ZigBee無線傳感模塊工作的大致流程是首先對程序進行初始化，啟動定時器中斷;若觸發中斷，那么分布在井下的各類功能的傳感器開始采集數據、轉換后經由ZigBee無線網絡送達主控芯片，此時查看主控芯片有無發布指令，如有命令則立即執行，反之則重復查看定時器是否被觸發，若被觸發，再進行數據采集，以此循環下去，確保井下工作安全。

主控芯片部分的工作流程大致如下所述：程序初始化后，主控芯片接收經無線網絡傳輸的通過傳感器采集的數據，并對這些數據進行分析，判斷它們是否在安全范圍以內，如有數據超出安全范圍，立即發出報警信號，并采取相應措施，將井下工作人員轉移到安全地帶，同時，將數據傳送到地上的安全監控中心，地上工作人員可以做進一步參考分析。

5 結語

本文提出了一種將zigbee無線技術與單片機相結合的煤礦井下安全監控系統，利用ARM單片機巨大的運算處理能力和zigbee技術的無線傳輸的特征，克服了井下布線困難、線路易被腐蝕以及維護困難等難題。另一方面，采集數據的節點數量可以根據不斷變換的外界環境自由減少或增加，方便管理。

參考文獻：

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