基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)研制

蘇 波 謝東海 張 軒 孟 遠(yuǎn)

國內(nèi)大部分礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)通過廣泛布線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，該方式存在有害氣體傳感器監(jiān)測節(jié)點可移動性差、組網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜[1]，一旦有線網(wǎng)絡(luò)遭受損壞將伴隨著整個有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)的癱瘓，因此迫切需要構(gòu)建一種結(jié)構(gòu)靈活、組網(wǎng)簡單快捷、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸可靠的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作為一種優(yōu)選方案運(yùn)用于礦井環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測。

為了解決上述問題，文章提出一種基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可用于礦井生產(chǎn)與管理的安全領(lǐng)域，能夠?qū)崟r掌握煤礦井下不同巷道、工作面的有害氣體濃度情況，為礦井通風(fēng)量的準(zhǔn)確計算、分配提供實時有效的技術(shù)參數(shù)，達(dá)到及時、有效合理通風(fēng)。從而能夠及時發(fā)現(xiàn)和排除有害氣體超限或者積聚等帶來的安全隱患。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

圖1基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]、井下骨干交換機(jī)、地面核心交換機(jī)、調(diào)度主機(jī)、打印機(jī)組成。無線部分主要由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將無線傳感器監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點組建成一個無線通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)發(fā)，然后通過將數(shù)據(jù)傳輸給井下WiFi基站，WiFi基站通過CAN總線將數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸給井下骨干交換機(jī)，井下骨干交換機(jī)把數(shù)據(jù)通過千兆工業(yè)以太網(wǎng)線纜傳輸?shù)降孛婧诵慕粨Q機(jī)，最終將數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)度主機(jī)。調(diào)度主機(jī)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、預(yù)警閾值參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)的查詢等功能。并將當(dāng)前數(shù)據(jù)與提前設(shè)定的閾值進(jìn)行分析比對，對有害氣體濃度超限情況進(jìn)行等級劃分，通過GPRS控制預(yù)警短信的發(fā)送。整套系統(tǒng)比較全面地將無線傳感網(wǎng)絡(luò)靈活性和自組網(wǎng)與井下開采環(huán)境相結(jié)合，使得地面監(jiān)測中心能夠更加準(zhǔn)確、靈活的監(jiān)測有害氣體濃度的變化，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件主要由有線網(wǎng)和無線網(wǎng)兩部分構(gòu)成，其中有線網(wǎng)包括地面調(diào)度系統(tǒng)和地下主干巷道兩部分構(gòu)成，無線網(wǎng)由有害氣體無線傳感器監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點三部分組成，有線網(wǎng)和無線網(wǎng)通過WiFi基站（WiFi AP）構(gòu)成一套完整的基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)。調(diào)度主機(jī)可通過GPRS模塊將監(jiān)測預(yù)警信息以短信透傳方式發(fā)送給礦井主要負(fù)責(zé)人，有線網(wǎng)保障礦井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和實時性；無線網(wǎng)可確保監(jiān)測地點的靈活性和數(shù)據(jù)的有效性。該系統(tǒng)可增加監(jiān)測節(jié)點，擴(kuò)展無線監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋范圍，具有規(guī)模大、自組織網(wǎng)絡(luò)、成本低、布設(shè)靈活、移動支持等特點，可增加了調(diào)度主機(jī)GPRS模塊無線信息傳輸?shù)姆绞剑跁r間和空間上有效地實現(xiàn)了礦井地面和井下靈活、開放、及時、有效的有害氣體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，適用于礦井有害氣體監(jiān)測領(lǐng)域。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的硬件部分主要由無線傳感器監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點三大模塊組成。其中無線傳感器監(jiān)測節(jié)點負(fù)責(zé)對巷道和工作面的有害氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集的精確度以及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能傳輸性能將直接影響系統(tǒng)性能，本系統(tǒng)有害氣體傳感器將通過ADC7606（數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊）將有害氣體濃度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并以通用數(shù)字接口形式傳輸給CC2530單片機(jī)進(jìn)行處理和存儲，此外還集成蜂鳴預(yù)警模塊和無線發(fā)射模塊，當(dāng)有害氣體濃度超過提前設(shè)定的閾值時，觸發(fā)蜂鳴預(yù)警功能，無線發(fā)射模塊負(fù)責(zé)有害氣體數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖2無線傳感器監(jiān)測節(jié)點

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案設(shè)計

Zigbee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)功能，具體可以組成星型（Star）、樹形（Cluster Tree）和網(wǎng)狀型（Mesh）網(wǎng)絡(luò)[3]。本文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用到Zigbee技術(shù)中的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點（協(xié)調(diào)器）和若干路由節(jié)點（路由器）和若干傳感器終端節(jié)點（終端設(shè)備）組成。Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有簡單靈活的信息路由規(guī)則，可保證各路由器之間可以實現(xiàn)通信，就算構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某一節(jié)點出現(xiàn)故障，信息依舊可以通過調(diào)整到其他路線進(jìn)行傳輸，Mesh網(wǎng)絡(luò)的這種特殊的路由機(jī)制[4]使得信息的通訊變得更有效率。Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的功能，可以通過多級跳的通信方式實現(xiàn)大范圍的擴(kuò)展井下監(jiān)測范圍，Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在井下組成大規(guī)模且比較復(fù)雜的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，但是其組網(wǎng)方式并不復(fù)雜，此外該網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈、自動路由和動態(tài)維護(hù)路由等功能。自動路由和動態(tài)維護(hù)路由兩大功能可以大大增加無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)本身的冗余性，確保監(jiān)測的確定性以及保障井下無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，適合用于井下復(fù)雜的監(jiān)測環(huán)境。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計及設(shè)備調(diào)試

4.1 監(jiān)測節(jié)點程序設(shè)計

該系統(tǒng)無線傳感器監(jiān)測節(jié)點的軟件部分利用MDK5編譯軟件實現(xiàn)了對程序的下載于編譯，監(jiān)測節(jié)點主要的程序設(shè)計分為5步：（1）節(jié)點電路上電后先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，（2）測試按鍵處理，（3）有害氣體濃度采集處理，（4）系統(tǒng)故障檢測判斷，（5）有害氣體濃度采集處理。

4.2 設(shè)備測試

通過對圖3（從左往右分別為協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點、兩塊相同的無線傳感器監(jiān)測節(jié)點）設(shè)備對有害氣體（這里包括甲烷和一氧化碳?xì)怏w）進(jìn)行有害氣體監(jiān)測實驗，對各模塊進(jìn)行供電以后，打開手機(jī)的熱點和專用APP軟件后，協(xié)調(diào)器節(jié)點的WiFi模塊自動連上手機(jī)，路由節(jié)點負(fù)責(zé)路由兩個無線傳感器監(jiān)測節(jié)點，無線傳感器監(jiān)測節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)測、當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時蜂鳴器預(yù)警模塊能進(jìn)行預(yù)警，整個系統(tǒng)通過搭建ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。結(jié)果表明ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠精確采集并傳輸數(shù)據(jù)，并通過手機(jī)APP軟件將數(shù)據(jù)顯示出來，具有數(shù)據(jù)庫保存查詢功能。

圖3有害氣體監(jiān)測實驗

5 主要結(jié)論

（1）基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統(tǒng)，選擇Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，實現(xiàn)了礦井各ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的自動選擇路由和動態(tài)維護(hù)路由，網(wǎng)絡(luò)具備自組織和自愈功能。

（2）有害氣體傳感器監(jiān)測節(jié)點的硬件電路采用集成電路設(shè)計，以CC2530單片機(jī)作為核心處理器，集成有害氣體傳感器、ADC7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、蜂鳴器模塊、無線發(fā)射模塊，具有體積小、易于攜帶的特點。

（3）該系統(tǒng)實現(xiàn)了軟硬件，有線網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到監(jiān)測成本低、數(shù)據(jù)精確、具有廣泛應(yīng)用前景。