基于ZigBee的無線傳感器網絡在礦井安全監控中的應用

摘 要：近年來，在以人為本的核心思想下，為了進一步保障井下作業人員的生命安全。我國的礦井安全監測系統也有了長足的長進。隨著電子技術的進步和通訊技術的發展，無線數據傳輸和遠程控制的要求也逐漸被重視起來。ZigBee的無線傳感器網絡也逐步應用起來了。

關鍵詞：礦井監測；ZigBee；無線通信

引言

中國是一個世界級的礦業大國，礦業開采的安全問題顯得十分重要。而在現階段，我國的安全生產管理體系落后，安全生產監控設備相對于發達國家來說依舊有很大的差距?，F有的安全生產監控設備大多以工業總線為基礎，雖然其抗干擾性良好，可靠性高，但隨著礦下作業的持續，以有線網絡組成的安全信息網絡不可避免的在靈活性，擴展性，抗突發事故能力等方便遭到了大眾的質疑。為了更好的解決這些問題，無線網絡的引入以改善網路變顯得順理成章。

1 安全監控系統的設計

基于ZigBee的無線傳感器網絡安全監控系統包括上位機，手機客戶端，協調器節點和終端節點。由終端節點負責收集井下的溫濕度信息和氣體濃度信息，通過2.4GHzISM頻段無線傳輸給協調器節點。再由協調器節點把相關的安全信息傳遞給上位機。上位機可以通過系統內部專門架設的局域網與手機移動客戶端互連，使得專用地面監控中心可以通過煤礦內部專用局域網與集團公司的總控制中心互連，從而使工作人員能夠遠程的進行狀況進行監測。主體框架如圖1所示。

1.1 ZigBee協調器節點

協調器使用了CC2530片上系統中的CC2530-F256芯片。擁有包括SFR、DATA和CODE三個不同的存儲器訪問總線和一個調試接口以及一個中斷控制器。內存仲裁起位于系統中心，因為他通過SFR總線，把CPU和DMS的控制器和物理存儲器與所有外設鏈接在一起。8KB的SRAM具有超低功耗的特點，同時能夠在數字部分掉電是保存自己的內容，使得ZigBee的睡眠模式能夠得以實現。同時CC2530-F256中的256KB閃存模塊為芯片提供了巨大的非易失性存儲空間，程序開發者把程序存儲在其中，以保證再次上電后，設備可以再次使用相關的數據。在核心板中還集成了2.4GHz的CC2530RF射頻天線模塊，提供了contiki智能物聯網定位功能擴展，板上還包括了一個32MHz的晶振和相應的電容，其中射頻天線采用的是倒F型天線設計，是實現ZigBee無線通信的重要組成部分，也是ZigBee能實現協調器、路由器和終端節點功能的核心所在。按照預定的周期，協調器節點會把經ZigBee無線網絡收集來的井下安全信息通過串口傳輸給上位機。

1.2 ZigBee終端節點

ZigBee終端節點中提供了眾多的外圍電路接口包括兩個5V傳感器接口和兩個3V傳感器接口?？梢允褂肈C5V電源接口供電或者是一節3.7V干電池供電，有一個OLED屏接口，用于信息顯示，支持Debug接口和USB串口，以供開發者與電腦進行互聯，從而方便的對ZigBee進行調試。此外，還設置了一個復位鍵，兩個獨立按鍵和4顆獨立的LED燈用來與程序調試相匹配。選取了DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器分別對溫濕度和氣體濃度信息進行采集，DHT11的相對濕度測量范圍為20%-90%，相對濕度的測量誤差在±5%；溫度測量范圍為0-50℃，測量誤差在±2℃，滿足系統的要求。

2 通信協議

為了使協調器節點和終端節點之間的通信能夠進行，需要設定一套通訊協議。使得設備能對收到的數據能夠識別，校驗。

于是有數據幀格式如表1所示。

其中，校驗碼是在對錢四個數據進行與運算后得出。響應報文中數據如果等于0表示操作失敗，1則操作成功。對于溫濕度傳感器，響應報文則直接給出溫濕度數據。功能碼則根據需求設置01開頭的數列，數列中的每一個元素對應相應的功能選項。

其中開始單元的作用和功能碼的功能實現如以下代碼所示：

case 0x2B：

if（afRxData[3] == 0x02） //收到終端傳過來的傳感器數據并保存

{

NodeData[afRxData[2]-1][0] = afRxData[4]；

NodeData[afRxData[2]-1][1] = afRxData[5]；

NodeData[afRxData[2]-1][2] = afRxData[6]；

NodeData[afRxData[2]-1][3] = afRxData[7]；

NodeData[afRxData[2]-1][4] = 0x00；

}

3 系統的軟件設計

3.1 協調器節點軟解設計

一方面以廣播通訊的方式把查詢命令發送到無線網絡內的各個終端節點，另一方面接收終端節點發送過來的環境安全數據并把它上傳至上位機程序中。

3.2 終端節點軟件設計

終端節點主要負責收集環境安全數據，然后傳遞到協調器節點。并接收協調器節點傳輸過來的查詢數據。其工作流程如圖2所示。

4 上位機監控

利用VS開發工具的iocomp工業控件設計了PC端的上位機監控測試軟件和基于Android的測試客戶端，實現了對溫濕度信息和氣體濃度信息的遠程監測，其運行界面如圖3所示。

5 結束語

本設計中使用了CC2530開發套件，建立一套能實時測量溫濕度，氣體濃度的系統。繼承了ZigBee無線傳感器網絡的特點，能夠以無線的方式，低成本，低功耗的實現井下安全信息監測，同時又使系統不失靈活性和可靠性。

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作者簡介：明立娟（1981-），女，攀枝花學院電氣信息工程學院教師，主要從事電類課程的理論及實驗教學工作。

劉浩（1993-），男，攀枝花學院電氣信息工程學院學生。