基于ZigBee協議的煤礦井下無線傳感器網絡設計

楊珅 馬斌 范強 彭光宇

【摘要】? ? 根據煤礦井下實際工況和復雜環境，本文提出利用ZigBee協議棧來搭建無線傳感器網絡。選擇CC2530芯片和常用傳感器，利用CC2530芯片的數據收發功能，來完成傳感器數據的采集和節點之間的無線通信。

【關鍵詞】? ? 煤礦井下? ? Z-Stack? ? CC2530? ? 無線傳感器網絡

引言：

中國是煤炭資源大國，煤炭也是保障我國工業生產和人民生活的重要資源，因此煤炭的產量將直接關系到我國社會經濟的發展。然而煤礦井下特殊復雜的環境，也使得傳感器數據的有線傳輸存在通信成本高、網絡覆蓋面小、移動不方便等缺點[1]。采用ZigBee協議搭建的無線傳感器網絡，能夠實時采集煤礦井下的溫濕度、瓦斯氣體濃度和煤礦機械的運行狀態等常規信息，然后進行節點之間的數據收發，可實現煤礦井下的遠程數據監測系統，有利于提高煤礦生產的安全性和生產效率，對煤礦井下的智能化發展具有重要意義。

一、ZigBee概述

ZigBee是一種能夠進行短距離無線通信的協議，具有低速率傳輸、組網容量大、通信穩定以及成本低等特點。ZigBee協議由ZigBee聯盟主導開發，協議的相關標準由該聯盟所定義。 據統計，基于ZigBee協議的無線通信技術能夠廣泛運用到多種類型的場景中，包括當前發展迅速的民用和工業市場[2]。由于ZigBee是一種標準化的無線通信協議，因此生產商能夠利用ZigBee協議來開發通信可靠、組網穩定、價格便宜且能耗較低的產品。

如圖1所示， 一個基于ZigBee協議的無線網絡包含有四層結構，自下到上分別是物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網絡層（NWK）以及應用層（APL）。其中，下面的物理層和MAC層是由IEEE 802.15.4標準來定義，而上面的網絡層和應用層則由ZigBee聯盟來定義[3]。基于ZigBee協議的網絡能夠使用868MHz、916MHz和2.4GHz這三個頻段進行無線數據通訊。如果將圖1所示的各層協議集成在一起，就能夠組成ZigBee協議棧。ZigBee協議棧可以通過函數的方式來實現，技術開發人員可直接在最上面的應用層上調用這些函數。

在ZigBee網絡最常見的星形結構中，從機的數量理論上可達254個，且在同一個區域內能同時存在上百個ZigBee網絡。如果使用Mesh結構來組網，ZigBee網絡中節點的數量能夠達到驚人的65536個。因此，在煤礦井下復雜的環境中，可以根據實際需要設置大量的節點來采集需要監測的數據，并通過ZigBee協議棧組網來實現數據的無線傳輸。

二、節點硬件設計

本文旨在使用ZigBee協議構建一個星形的無線傳感器網絡，實現對若干個傳感器的信息采集、數據處理和無線傳輸。在無線傳感器網絡中，有若干個終端設備用來采集不同的傳感器數據，當這些終端設備采集到傳感器的數據后，能夠通過ZigBee協議將這些傳感器數據無線發送給給協調器模塊。當協調器模塊接收到來自其他終端設備的傳感器數據時，可以實現數據實時顯示、數據轉發和異常報警等功能。

2.1處理器模塊

節點硬件選型的核心在于芯片選型，結合實際場景的使用需求，本文最終選擇了由TI公司研發的下一代芯片，即CC2530芯片作為節點中的處理器。CC2530芯片集成了性能優良的RF收發器和8051 微控制器內核，具有可編程的閃存，并配置了8KB RAM[5]。經測試CC2530芯片的無線傳輸速率可以達到250kbp/s， 傳輸數據的距離理論上可以達到200米左右。 CC2530模塊如果用作終端節點，大部分時間可以處在休眠模式，因此能夠滿足煤礦井下對低能耗的要求。

2.2傳感器模塊

本文選擇了幾種常見的傳感器模塊，來模擬煤礦井下的實際需求，分別是MQ-7一氧化碳傳感器、DHT11溫濕度傳感器和HC-SR04超聲波距離傳感器。這些傳感器可以用來實時檢測煤礦井下的一氧化碳濃度、空氣中的溫濕度和煤機設備與障礙物之間的距離等關鍵信息，當監測到的數據發生異常時能夠及時報警，因此可以用來預防煤礦井下的一氧化碳超限、透水事故或煤機設備碰撞事故等。利用CC2530芯片和Z-Stack協議棧，可以完成對上述傳感器的信息采集、數據處理和無線傳輸，從而建立無線傳感器網絡。

2.3 電源模塊

由于使用ZigBee協議進行數據傳輸的速率不是很高，在正常工作時CC2530芯片的功耗也較小，因此若使用兩節5號AA電池的情況下，理論上就可以使CC2530芯片維持長達六個月的使用時間。考慮到煤礦井下特殊惡劣的環境，可選擇容量大、可靠性高、便于更換的高性能電池。本文使用的所有終端設備，均選用兩節5號AA電池來供電。

三、通信軟件部分

由于芯片選用的是TI公司研發的CC2530芯片，因此需使用該公司的Z-Stack協議棧來構建無線傳感器網絡。本文使用IAR Embedded Workbench for MSC-51 V8.10作為該無線傳感器網絡的開發環境，簡稱IAR，是知名的嵌入式系統開發軟件，符合C語言標準的要求。

Z-Stack協議棧一般情況下采用事件循環機制來運行。具體來講，Z-Stack協議棧的每一層都會使用一個任務事件處理函數，能夠用來處理該函數所在層中的各種事件[6]。這些函數可以看作是每層相對應的一個任務，由OSAL（操作系統抽象層）負責總體的調度，這通常是一個無限循環的過程。 由于Z-Stack協議棧的操作信息都被封裝在相應的庫中，因此技術開發者在使用Z-Stack協議棧構建不同的無線傳感器網絡時，僅需要調用相應的API接口即可。

本文設計的無線傳感器網絡的通信方式為單播通信，這意味著所有的終端設備都非常清楚地知道接受模塊的網絡地址，然后將傳感器的數據發送到該接受模塊，即本系統中的協調器模塊。 在ZigBee網絡中，通過調用相應的函數來發送傳感器數據，該函數名為AF_DataRequest（）。在這個函數中包含有很多重要的參數，包括目標節點的地址信息、端點信息、集群ID和數據長度等。

協調器模塊接收到來自其他節點的傳感器數據后，將根據aflncomingMSGPPacket_t結構體提取接受到的傳感器數據。應該注意的是，這個結構體包含諸如事件、端點、集群等信息。在協調器模塊上安裝一個TFT屏幕，可以用來顯示來自其他節點的傳感器數據，如果數據高于預設的臨界值，則蜂鳴器會報警。

四、通訊距離及遠程監控

假設ZigBee無線傳感器網絡處在理想的真空介質下，并且發射天線和接受天線均設為一樣的增益，根據射頻傳輸理論，如果設定ZigBee節點的發射功率為2.8mW，在2.4GHz的頻段下進行通信，兩個ZigBee節點之間的傳播距離經計算可以達到200米。 然而，受到諸多外部因素的影響，ZigBee網絡的傳輸距離很難達到理想的狀態。在煤礦井下的實際應用中，ZigBee無線傳感器網絡可能會受到不規則巷道、煤機設備或其他電磁干擾的影響，使電磁波發生繞射，進而影響其信號傳播的能力。 此外，如果終端設備一直處于運動的狀態時，產生的多普勒現象也可能會影響ZigBee網絡的傳輸距離。

本文使用了TI公司開發的Packet Sniffer軟件和CC2531芯片（基于 CC2530芯片的基礎上增加了USB 2.0接口），能夠獲取基于ZigBee協議的無線傳感器網絡在通信時的數據包，因此可用來進行抓包實驗。在井上空曠的環境下進行測試，兩個CC2530模塊在100米的范圍內可以提供穩定的傳感器數據傳輸，而傳輸距離超過100米后，ZigBee網絡會出現一些數據包的丟失。由于ZigBee網絡容量大，在煤礦井下使用時，可以增加CC2530模塊的數量，以彌補節點之間傳輸距離的損失。

基于ZigBee協議的煤礦井下無線傳感器網絡可以連接到互聯網中，這需要通過網關在不同協議之間進行切換，然后使用上位機軟件即可實現煤礦的遠程監測，如圖1所示。

因此基于ZigBee協議的無線傳感器網絡并不是一個獨立的網絡，通過網關可以將ZigBee網絡嵌入到目前主流的通信網絡中，這正好可以彌補ZigBee技術本身的局限性。

五、結束語

本文使用CC2530芯片和Z-Stack協議棧，選擇了能夠模擬煤礦井下實際需求的傳感器，開發了一個“多對一”的無線傳感器網絡。終端設備通過傳感器來采集現場的數據，然后通過CC2530芯片和Z-Stack協議棧中相應的數據發送和接收函數，可以實現對相關數據的信息采集、數據處理和無線傳輸。經過測試，所有終端設備均能夠準確地采集三種傳感器的數據并將這些數據無線傳輸到協調器模塊中。經過通信距離的測試和ZigBee技術自身組網的大容量、功耗小、成本低等特性，使得基于ZigBee協議的無線傳感器網絡能夠適用于煤礦井下，可實現對煤礦井下的遠程監測。

參? 考? 文? 獻

[1]寧傳文.ZigBee在煤礦井下人員定位中的設計應用[J].機電工程技術，2020，49（12）：182-184.

[2]肖紫陽. 基于無線傳感器網絡的移動目標跟蹤系統研究與設計[D].浙江工業大學，2016.

[3]李航. 基于無線網絡的智能停車場關鍵技術研究[D].西華大學，2014.

[4]劉濤濤. 基于ZigBee技術的設備狀態監測與故障診斷系統設計[D].中北大學，2014.

[5]莫莉，喻洪平，趙悅，宮霞霞.基于ZigBee煤礦安全監測系統設計與研究[J].煤炭技術，2018，37（09）：319-322.

[6]伍迎節. 基于ZigBee無線傳感網的起重機安全監控系統設計[D].華東交通大學，2014.