基于ZigBee 技術的煤礦安全監控系統設計

阮東鵬

（晉能控股煤業集團 晉城煤炭事業部，山西 晉城 048000）

1 概況

煤礦本質安全主要是形容設備的電氣系統能進行自我保護的能力。影響煤礦生產本質安全的主要因素包括人員本質安全、設備本質安全、環境本質安全。人員的本質安全可以通過專業知識培訓、專業訓練等得到保障，而環境與設備的本質安全就依賴于煤礦安全監控系統。我國煤礦事故時有發生，一大因素就是現有煤礦安全監控方面存在較大的問題與不足，從煤礦安全角度入手進行研究，應用新型的數字傳感技術，對煤礦生產設備與人員進行實時監控，最終實現對裝備與人員的保護。以晉能控股煤業集團成莊煤礦為研究對象，基于該礦生產環境，采用終端CAN 總線與ZigBee 通信模塊技術，設計開發了一套煤礦安全監控系統，以期達到降低煤礦安全事故的目的。

2 系統總體結構設計

根據成莊煤礦安全監控系統的需求特點以及應用環境，可以確定系統的設計原則及工作要點。煤礦安全監控系統的設計原則主要有：安全性、可靠性；技術先進性，應采用先進的硬件與軟件控制技術；標準化，采用標準化設計接口，增強系統的通用性與設備兼容性；經濟適用性，即在滿足使用要求的前提下盡量降低成本。

煤礦監測系統整體結構設計如圖1 所示，主要包括數據采集層、信號傳輸層以及數據分析層。系統通信方案設計選用ZigBee 無線通信技術和CAN總線技術相結合的方式，該系統具有很好的穩定性以及井下適應能力，具有較好的抗爆能力。ZigBee無線通信技術具有傳輸距離遠、組網靈活、功耗低、維護方便等特點。數據采集模塊首先將設備的信號采集并集中整理，通過通信網絡將數據發送至服務器監控中心，由監控中心對數據進行分析，并得出設備的狀態信息。

圖1 煤礦監測系統整體結構Fig.1 Overall structure of coal mine monitoring system

3 監控系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 網關模塊硬件設計

網關模塊的主要功能是接收整個監控系統所采集的數據，并將其進行轉化、處理、存儲，最后通過CAN 總線發送到監控分站。網關模塊主要硬件包括微處理器以及信號處理微型芯片，在此根據實際功能的需求選擇西門子公司生產的STM-CT6 型微處理器以及CC2530 芯片，網關模塊的硬件結構如圖2 所示。

圖2 網關模塊硬件結構Fig.2 Hardware structure of gateway module

3.1.2 ZigBee 模塊

ZigBee 模塊主要負責信號的接收與發送，這種節點的無線發射功率大且接收信號的靈敏度比較高，通信傳輸距離較長，適用于煤礦井下通信使用。ZigBee 模塊采用的是CC2530 芯片，該型芯片是專門用于信號采集與發送的單芯片，具有高頻收發器、低成本、內存較大、可拓展性強等優點。

3.1.3 存儲器設計

存儲器主要負責收集存儲系統臨時產生的數據，為系統的數據傳輸提供安全保障，系統連接外部存儲的芯片采用CH376，該芯片處理器具有較好的存儲功能，可提供12 MHz 的SPI 通信接口以及最高3 Mbps 速度的異步串口。

3.2 系統軟件設計

系統的核心處理器選用的是ARM 公司開發的STM76TGY8 型微型處理芯片，該處理器具有數存儲、數據分析以及數據預警等功能，監控系統的功能需求是首先對傳感器所采集的數據進行收集整理，實現對數據的計算與分析，該系統的軟件控制程序基于Keil Vision8 為開發平臺進行編程。該開發平臺是一款基于VC++ 語言的開發軟件，具有較好的通用性與兼容性。系統軟件的主要設計程序包括數據采集程序、網關通信程序、數據處理程序路由器節點程序設計，上位機操作系統等軟件的設計。

4 系統應用測試

完成系統的軟件與硬件結構設計后，需對其功能進行試驗測試，以確保系統達到了設計目的。以煤礦安全監控系統溫度監控與無線網絡通信為例，對其功能測試做簡要介紹。

4.1 溫度參數監控

安全監控系統的溫度監控對保障井下安全具有重要意義，試驗主要針對溫度變化情況搭建試驗平臺測試。該試驗平臺主要硬件設備包括Zig Bee 模塊（CC2530）、電源、GWSD100 型溫度傳感器、計算機、SD 存儲卡、信號微處理器等。試驗時首先將各硬件設備連接好，在控制計算機上，通過調試助手觀測傳感器模塊所采集溫度信息，并與試驗環境實際測量的溫度進行對比，系統所采集的溫度情況見表1。

表1 溫度測試結果Table 1 Temperature test results

4.2 無線通信測試

根據成莊煤礦礦井的特點，選擇2 棟教學樓樓道為試驗場景。為了搭建無線通信測試試驗平臺，需準備的硬件設備包括ZigBee 模塊、電源、GWSD/100 型傳感器、計算機、USB 轉串口線、USB 轉TTL 數據線、SD 存儲卡等。

試驗時連接好各試驗設備，其中一個ZigBee模塊與微處理器相連接，另外一個ZigBee 模塊通過USB 數據接收線與中央控制計算機進行連接；接通測試平臺電源，將傳感器監測到的溫度信息進行無線傳輸；移動ZigBee 模塊，改變距離，重復多次試驗，將每次測試的數據結果做好詳細的記錄，驗證ZigBee 模塊的信號傳輸能力，并計算其信號傳輸過程中的丟包率。

測試結果顯示，2 個ZigBee 模塊在不同的距離以及障礙物的作用下，信號傳遞效率具有明顯差異，當傳遞距離為200～300 m 時，模塊可以正常接收數據，沒有發生丟包的現象，通信數據穩定傳遞；當傳遞距離為400～500 m 時，信號傳遞出現丟包現象；當距離大于500 m 時，發生比較明顯的數據丟失情況，無法有效完整地傳遞信號。說明ZigBee 模塊的有效距離為300 m。

5 結語

針對成莊煤礦安全監控數據采集與系統可靠性等方面存在較多不足的問題，基于該礦生產環境，設計了一套煤礦安全監控系統，以達到降低煤礦安全事故的目的。根據煤礦生產的特點，采用終端CAN 總線與ZigBee 通信模塊技術為基礎，對安全監控系統的總體結構設計、軟件設計與硬件結構設計做了簡要介紹，然后根據需要對安全監控系統的各分系統進行了測試，由于篇幅所限只列出了溫度參數監控與無線通信測試2 類測試試驗。測試結果顯示該系統達到了設計目標，可以很好地實現對成莊煤礦的安全監控，提高了煤礦安全生產可靠性。