基于zigbee技術的井下監控系統的設計

楊鵑，韓雪松

(承德石油高等專科學校計算機與信息工程系，河北承德067000)

基于zigbee技術的井下監控系統的設計

楊鵑，韓雪松

(承德石油高等專科學校計算機與信息工程系，河北承德067000)

針對于目前煤礦監控系統存在的問題，提出將zigbee無線通信和TCP/IP網絡相結合的網絡通信模式，選用CC2530/CC2533芯片作為網絡節點的核心芯片，通過RF信號的發送和接收實現數據通信。利用該模式設計出的井下監控系統，不僅可以監測礦井環境參數，也可用于人員定位和區域統計，為井下管理提供了動態可靠的監測數據，實現了煤炭生產監控所需的基本功能。

監控系統;人員定位;zigbee;TCP/IP

瓦斯爆炸、火災、水災、頂板冒落［1］等事故的發生給煤炭生產帶來了極大的危險，加強系統的安全管理，采取科學、有效、智能化的管理系統，減少和避免各類事故的發生，現已成為井下作業安全研究的迫切問題。以光纖工業以太網為核心的監控系統反應速度大為加快，但系統可靠性和抗毀性沒有較大的提高［2-3］。國內應用較多且效果較好的煤礦監控系統主要有KJ4/KJ2000、KJ90等［4］。目前存在的主要問題有應急救援無法解決;有線通信受區域限制;信息利用率不高。為解決監控系統的上述問題，提高礦井系統的安全性，本系統設計采用zigbee無線通信技術和光纖技術相結合的通信方式，可準確實現系統的人員定位和管理，實時監控工作環境，突遇緊急情況可報警并預案處理。

1　系統功能

考慮到井下作業的特殊性和安全性，結合礦井的生產要求，本系統所要具體實現的功能主要包含以下內容:

1)監控井下的工作環境，包括實時上傳CH4、CO、頂板壓力、風速、風壓、溫度和濕度等環境參數。

2)監控人員的具體位置。可實時查詢定位工作人員的具體位置，保證生產工作的安全。

3)監控機車的位置。可實時查詢機車的具體位置，描繪機車系統的主要活動路徑。

4)監控某一區域的人員數量。

5)自動報警。危險區域有人員活動的話，可自動發送報警信號，并將報警信號上傳給主機，同時啟動預案處理。

6)對網絡節點進行能量監控，保證節點正常運行。

2　系統硬件設計

井下監控系統的總體結構如圖1所示。

系統內部的硬件結構主要包括主機、交換機、網關、傳感節點和移動節點，其中網關節點、傳感節點、移動節點均屬于zigbee無線通信的網絡節點，zigbee無線通信網絡通過光纜經由交換機與主機之間實現網絡通信。

主機是用于監控和管理井下工作的普通計算機，內部安裝監控軟件，可按ID編號調取和查詢井下人員的具體位置。主機內安裝的監控軟件采用LabVIEW軟件開發而成，專門針對于本項目研究的系統而設計的，管理人員只需通過監控軟件的使用就可監控管理井下的生產和安全。

網關節點選用CC2530芯片，主要起到網絡協調器的功能，在主機與傳感節點和移動節點之間實現數據通信，維護zigbee無線網絡的正常運行。

移動節點可安裝在人員的安全帽上，也可安裝在機車上，主要用于人員定位和機車定位。考慮到節點能耗的問題，移動節點選用CC2533芯片，CC2533芯片與CC2530最大的區別在于CC2533帶有電池電壓監測的功能，可檢驗能量消耗的情況，保證節點的正常工作。

傳感節點固定安裝在具體位置，可對實時環境參數進行檢測和上傳，也可用于系統定位，此時的傳感節點相當于錨節點，接收來自于移動節點的RSSI信號幀。傳感節點選用CC2533芯片通過串行接口安裝不同性能的傳感器，每個傳感器節點可根據需要連接一種或多種傳感器，以工作環境監測為例，可將SHT75溫濕度傳感器和UL-264瓦斯傳感器通過接口與CC2533芯片相連。

本監控系統還要負責井下設備管理，井下設備的控制器、執行器和分站的設計都充分利用了zigbee無線網絡的功能，執行器和控制器模塊具有網絡化的功能，可由zigbee網絡實現通信和管理，將控制開關和執行器就近安裝在機電設備周圍，且執行器通過開關量輸入反饋來保證執行的準確性。控制器可通過無線網絡接收到來自于主機的控制信息，執行控制命令，控制終端設備的啟停操作，且為了保證控制的可靠性，控制器的布局設置應采用冗余的控制形式，設定備份控制器以防主控制器失效，保證系統運行的可靠性［5］。

3　網絡節點軟件設計

3．1網關的軟件設計

網關作為網絡的協調器，主要負責無線網絡的組建和協調管理工作，初始化網關設置后，與上位機實現網絡連接，將自身的設備類型、ID號和控制區域范圍等信息傳送給主機;再進行無線網絡的組建，定期向外發送信號幀。接收網絡節點發送的應答信息，判定是否批準入網，如果批準入網，則分配網絡地址給網絡節點。網關節點的流程如圖2所示。

3．2傳感節點軟件設計

傳感節點相當于zigbee網絡的路由器，主要負責子網的管理和路由鄰居表維護的功能。Zigbee無線網絡地址分為長地址和短地址兩種形式。當終端設備發送入網請求，則接收到信號幀的路由器或是協調器判定是否批準入網，并回復入網應答，如果應答信息為SUCCESS，則入網成功，網絡節點間建立父子節點關系。父節點按照路由算法給子節點分配16位短地址。物理地址修改軟件Setup_SmartRFProgr_ 1．9．0．exe來設置坐標值。

本系統路由算法采用AODVJR路由算法，該算法在兩節點間路徑失效后，能快速設定新的路由，具有較強的網絡糾錯能力［6］。當網絡節點間需建立網絡通信時，源節點首先查看路由表是否存在與目的節點間的路由路徑，如果有，則按照該路徑進行網絡通信，否則，則向外廣播路由請求，接收到路由請求的網絡節點判定自身是否為目的地址，如果是，則建立正向路由并將該路由路徑應答給源節點;如果不是目的地址，則建立反向路由并繼續廣播路由請求。算法中，只將接收到的第一個路由請求作為路由路徑保存并發送路由應答。

3．3移動節點軟件設計

移動節點一般安裝在工人的帽子或者機車上面，用于實現節點定位功能。本監控系統的定位工作包括人員定位和區域人員統計兩方面。人員定位時，移動節點會發送RSSI信號幀給周圍的傳感節點，傳感節點做出應答，發送信號幀給移動節點，其中包含傳感節點的位置和接收到的RSSI值，移動節點根據定位算法程序運行計算出自身的位置，并將計算后的結果上傳給網關。區域人員統計時，由網關發送命令給區域范圍內的錨節點，確定與之建立通信的未知節點，再逐一判定移動未知節點的位置，統計區域范圍內的人員個數。

定位算法決定了系統定位的精度和功耗［7］，基于這兩個方面的考慮，本系統的定位算法采用改進型的加權質心定位算法，在加權質心定位算法的計算結果上，根據估算的位置劃定估算范圍，在該計算范圍內尋找最小的定位誤差點，將其作為新的估算位置，再重復進行計算，計算的次數可由實際精度進行調整。

4　網絡通信的實現

本監控系統的通信采用zigbee網絡和TCP/IP網絡互連的方式，井下環境采用zigbee無線通信網絡實現節點間的通信，網關節點連接井下作業和地面監控工作，將zigbee協議的通信命令轉換為TCP/IP網絡，通過光纜傳送到交換機，最后傳送到主機中。

4．1網絡協議的轉換

為了實現TCP/IP網絡和zigbee網絡之間的數據通信，本系統采用socket端口用于不同協議間的網絡通信。Socket端口采用字節流式套接口以保證數據的正確傳輸，套接口由地址和端口號表示，根據規定的數據格式進行數據說明。考慮到數據傳輸可靠性的問題，本系統socket傳輸采用TCP的鏈接方式，通過三次握手成功后才能建立網絡通信，傳輸的準確性較高。基于TCP數據報的socket傳送過程的流程如圖3所示。服務器需要在創建套接字后進行套接字的綁定操作，將套接字設定為監聽模式，等待數據發送，網關創建好套接字后，發送連接請求給服務器，接收到服務器的accept應答后，才能發送數據給服務器。

4．2zigbee串口通信

Zigbee的數據通信是由串口實現的，串口是網絡節點間通信的非常重要的方式，CC2530芯片支持zigbee2006協議棧，協議中已經定義好了串口通信的處理程序，用戶只需根據自己的需要修改設置和函數調用即可實現所需的操作。CC2530提供了兩種串口通信方式，ISR和DMA。ISR默認設置的波特率115 200，在數據傳輸頻繁的情況下有容易出現網絡問題;DMA的高速數據傳輸模式，可以在外設和存儲器之間直接進行通信，無需占用CPU，可提高系統的處理速率。本系統設計的串口通信分為兩個部分:井下網絡節點間的串口通信;網關節點與主機間的串口通信。基于數據傳輸的頻繁性，網絡節點間的串口通信采用DMA通信方式。主機向網關節點發送數據采用DMA通信方式，網關節點向主機發送數據采用ISR通信方式。

5　結束語

本文主要探討了井下監控系統的設計與實現，采用zigbee無線網絡通信和TCP/IP網絡相結合的通信方式，將zigbee靈活的通信方式應用于井下作業，網關與主機間選用光纜進行數據的傳輸。分別設計了網關節點、移動節點和傳感節點的硬件和軟件部分，并對于網絡通信的實施進行了具體的設計。通過本文的研究，一方面可實現人員定位系統的功能，另外一方面也可通過傳感節點的監測起到安全監控的作用，實現了系統的定位和安全監控的功能，為生產提供了安全保障和有效的管理數據。

［1］王瑛，錢旭．基于礦井監控系統軟件設計原則的研究［J］．煤炭技術，2013，22(2):9－11．

［2］胡繼紅．煤礦安全監控系統存在的問題與發展方向［J］．中國煤炭，2010，36(12):61－63．

［3］鄒哲強．煤礦安全監控系統可靠性指標的測定方法［J］．工礦自動化，2010，36(4):1－4．

［4］高春礦．煤礦安全監控系統現狀與發展前景［J］．煤炭技術，2014，23(11):65－66．

［5］華鋼，宋志月，王永星，等．物聯網環境下煤礦安全監控系統體系架構研究［J］．工礦自動化，2013，39(3):6－9．

［6］曾小虎．zigbee路由實現與通信性能測試研究［D］．廣州:廣東工業大學，2011．

［7］楊鵑，韓雪松．無線傳感網絡節點定位技術［J］．承德石油高等專科學校學報，2013(6):39－43．

簡訊

我校與俄羅斯高校探討合作路徑日前，我校黨委書記王紀安參加河北省高等教育培訓訪問團對俄羅斯高校進行了訪問。期間，分別與圣彼得堡交通大學副校長基謝列夫、莫斯科人民友誼大學副校長塞巴斯蒂安、莫斯科大學亞非學院蘇仕基娃主任等就我校部分專業與對方本科3十2項目合作、教師培訓、暑期學生短期進修等進行了交流洽談，達成初步意向。

Design of Underground Monitoring System Based on Zigbee Technology

YANG Juan，HAN Xue-song
(Department of Computer and Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Aiming at the existing problems in coal mine monitoring and control system，the network communication mode is used in the zigbee wireless communication and TCP/IP network in this paper．CC2530/CC2533 chip is chosen as the core chip of network nodes．Data communication is achieved by the RF signal to send and receive data between the nodes．Monitoring system designed in this paper is not only used to monitor the mine environment parameters，but also used to locate and in area statistics．It provides a dynamic and reliable monitoring data for mine management，realizing the basic function of the coal production monitoring required．

monitoring system;person localization;zigbee;TCP/IP

TD76

B

1008-9446(2015)01-0039-04

承德市科學技術研究與發展計劃項目(無線傳感網絡節點定位的應用性研究):20122247

2014-10-15

楊鵑(1979－)，女，黑龍江雙鴨山人，承德石油高等專科學校計算機與信息工程系講師，主要研究方向為無線網絡通信和數據融合技術等。