基于ZigBee的煤層氣體泄漏監控系統終端模塊設計

賀國強 陳振宇 史航 孫柏林 瞿聰 韓成浩

摘要：文章介紹了煤層氣體泄露監控系統終端模塊設計方案，包括其硬件設計和軟件設計，說明該系統的核心技術是ZigBee技術。以ZigBee技術為核心，該系統具備諸多優勢，其功耗、成本都較低，靈敏度、抗干擾能力亦都較強。

關鍵詞：ZigBee；煤層氣體泄漏；監控系統終端

長期以來，煤層氣（俗稱瓦斯）事故的數量在煤礦事故的總數量中所占比例一直居高不下。根據記錄顯示，煤礦事故中死亡3人以上的，煤層氣事故占70%之多，10人以上死亡的事故中煤層氣事故更是達到了90%。提高地下煤礦的工作環境安全系數、改善工作條件、提高工作效率，對國民經濟越好越快發展意義重大。

ZigBee是目前廣泛應用的一種技術，其特點是復雜度低、功耗低、數據速率低、成本低，是一種雙向無線通信技術，ZigBee的完整協議棧有32 kB，可以嵌入各種設備中應用，并且支持地理定位功能[1]。本系統中煤礦煤層氣無線監測系統就是基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，采用低功耗、具有較強抗干擾能力的微控制器為核心，系統可對煤礦礦井空氣中的煤層氣濃度進行實時檢測，具有可靠性、便于安裝性、成本低、節能及實際可行性等優點。系統可對煤礦生產工作的進行提供一定的保障，提高一定的生產效率，并且在礦井的防災、減災方面發揮一定的作用。

1 設計方案

監控系統整個網絡分成2層，上層是上位機，就是由計算機及其內部的應用程序和數據庫構成，是整個網絡信息的匯聚點[3]，同時負責對數據進行分析和處理。下層是ZigBee無線通信網絡，由協調器、路由器和節點3個部分組成。網絡構成呈網狀發散式結構，數據信息也由節點一路由器一協調器的方式逐級傳送。上層計算機與下層協議棧采用TCP/IP有線網絡連接，以保證數據通信的穩定性和網絡的可擴展性。

實際應用中，基于考慮一般礦井深度都在10公里以上，故而需要在礦井中安置100個以上的ZigBee節點，由這些節點共同組成ZigBee組網。組網中各個ZigBee節點負責采集各自區域內的煤層氣濃度數據，再將這些數據傳送至各個ZigBee節點組的路由器。每個ZigBee節點具有各自的傳感器模塊，各個傳感器模塊由氣體傳感器和溫濕度傳感器組成，負責完成數據的采集和轉換，微控制器CC2530模塊則負責控制整個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等[2]，存儲模塊負責存儲采集到的數據；電源模塊為兩節1.5 V的堿性電池，負責提供能量，選通所用到的傳感器。

2 系統硬件電路設計

2.1 核心控制電路設計

本系統是基于CC2530模塊設計的，其中CC2530是整個系統的核心器件，實現無線網絡的組網、信息傳輸等功能。同時，由于CC2530內部集成51內核，控制程序均寫在其中，實現各個功能。如圖1所示。

2.2 氣體傳感器模塊介紹

本設計中，氣體傳感器采用KGS-20半導體傳感器，該傳感器由北京吉華科技有限公司生產，體積小，功耗低，基本材料是二氧化錫。KGS-20是一種專用于可燃氣濃度檢測的傳感器，瓦斯報警器、瓦斯檢測儀中都可見到它的身影，它具有極高的靈敏度，響應速度也極快，且功耗較低，應用電路也簡單，其報警濃度為甲烷≥1%，響應時間≤20 s，恢復時間≤30 s，工作溫度范圍-15℃?+ 50℃，濕度≤97%RH，靜態功耗為150 mW，報警狀態功耗為300 mW，供電電壓為3?5 VDC。其中PHT04000W是一個電壓轉換模塊，在其中的作用就是給瓦斯傳感器提供0.9 V的電源。

2.3 溫濕度傳感器SHT75模塊

本設計中，溫濕度傳感器采用SHT75數字溫濕度傳感器，該傳感器由瑞士 Scnsirion公司推出。該傳感器包含兩部分——電容性測濕敏感元件和用能隙材料制成的測溫元件。傳感器將傳感元件及信號處理電路集成在一塊微小電路板上，實現信號采集和數據轉換，可穩定輸出標定的數字信號，傳感器具有極高的可靠性和長期穩定性，采用專利CMOSens技術，支持低功耗，并且在同一芯片上可實現14位的A/D轉換器以及串行接口電路的無縫連接，而且，傳感器芯片是在超精確的濕度腔室中進行標定，校準系數以程序形式儲存在一次性可編程（One Time Programable，OTP）內存中，來用于內部信號校準。兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡單。故而，該傳感器具有幾大優點：響應迅速、性價比高、抗干擾能力強、體積小、功耗低等。

2.4 聲、光報警電路設計

在系統運行中，一旦發生煤層氣濃度超標，不僅要將此報警信息上傳到上層計算機中。同時，還要警告附近的工作人員，故而設計了聲、光報警電路。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee協調器程序

協調器是整個組網的核心部分，主要用來初始化整個網絡，在整個井下組網中作為管理者存在。其中ZigBee協調器軟件設計主程序流程如圖2所示。ZigBee協調器啟動之后首先開始初始化設備，然后執行中斷程序，判斷主機是否有數據要發送，如果主機有數據信息需要發送則用無線模塊發送數據出去，發完數據之后進行校驗，看是否已經發送成功。如果不成功則重復運行發送數據模式。當協調器處在空閑狀態時，本身沒有數據需要發送，它就會掃描整個信號看是否有數據需要發送，如果發現有則和上面一樣執行接收這個需要發送的數據，然后經過校驗、數據包解壓，最后通過數據總線傳輸到井上監控子系統。

3.2 ZigBee組網流程

在給系統通電之后，ZigBee的無線傳感器會自動執行掃描信道，看是否已經存在建好的網絡，如果掃描到信道已經有建好的網絡，這個無線傳感器會選擇一個父節點對其發送入網請求，協調器收到請求信號之后會給這個節點分配地址并確認確實存在這個地址，這樣就成功地加入了一個網絡。如果在系統通電掃描信道之后，發現信道中沒有已經建好的網絡，則它將自己設定為協調器，建立一個新的網絡，它也可以接受其他的節點加入請求并分配網絡地址給節點。所以說它具有自組織網絡的功能。

4 結語

本研究項目煤礦煤層氣無線監測系統是基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，采用低功耗、具有較強抗干擾能力的微控制器為核心，結合靈敏度很高的氣體傳感器和單總線技術及控制算法，對周圍環境的空氣濃度進行實時監測，系統具有便于安裝性、成本低、節能及實際可行性等優點，本項目的研制成功會使報警控制設備更趨近于現代化、智能化，進一步提高煤礦工作環境的安全系數，提高工作效率。現在，ZigBee技術因為其具有的獨特優勢技術，彌補了短距離無線網絡通信方面市場的空白，低功耗、低速率和低成本的特點在各個方面得到應用，相信在很短的時間內，該技術會在社會的多個方面發展和運用。

[參考文獻]

[1]王權平，王莉.ZigBee技術及其應用[J].現代電信科技，2004（1）：33-37.

[2]周怡颋.ZigBee無線通信技術及其應用探討[D].上海：華東理工大學，2002.

[3]周怡颋，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表，2005（6）：5-9.

[4]張心泉，左蕓，凌志浩.基于ZigBee的無線傳感器節點的設計與實現[J].儀器儀表智能化，2007（6）：197-201.

[5]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6]王小強，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.