ZigBee無線通信技術在煤礦瓦斯監控系統中的應用*

張金華

(山西焦煤汾西礦業水峪煤礦，山西 孝義 032300)

0 引 言

眾所周知，煤礦井下環境復雜惡劣、作業空間狹小，通風條件較差，幾乎煤礦生產過程中的每個環節都存在著瓦斯隱患。隨著開采體量及采掘深度的不斷擴大，瓦斯隱患也越發明顯，開采過程中隨時可能引發重大瓦斯傷亡事故，因此，實現瓦斯氣體的科學有效監控和治理非常重要[1-2]。目前國內大部分煤礦瓦斯監控系統采用有線傳輸方式進行通信，有線傳輸方式一是存在布線困難問題，礦井監測范圍會受到限制，后續擴展性比較差；二是在復雜狹小的礦井下，煤礦生產推進過程中，由于設備、人員的頻繁移動，可能會導致有線電纜的破損、接觸不良等問題，進一步影響數據的可靠傳輸，危及到煤礦的安全生產；三是有線傳輸方式存在抗干擾能力差的缺點，由于受到井下其他電磁脈沖信號的干擾，會導致系統出現分站CPU死機或發出錯誤命令的情況[3-4]。因此，傳統有線傳輸已經無法滿足礦井現代化高效生產的需求。

綜上所述，為解決有線傳輸存在的不足，筆者基于ZigBee無線通信技術設計了一套煤礦瓦斯監控系統，利用無線傳感網絡替代原有的有線傳輸網絡，通過ZigBee通信網絡的自動組網功能、多跳功能、自搜索功能，實現了對礦井瓦斯氣體全方位覆蓋，進一步提升了瓦斯監控的現代化水平。

1 基于ZigBee無線通信技術的煤礦瓦斯監控系統總體方案

圖1所示為煤礦瓦斯ZigBee無線通信網絡監控系統的總體方案。整個瓦斯無線監控系統由遠程監控室、以太網通信單元、ZigBee無線通信網絡、傳感采集節點等組成。其中，遠程監控室由上位機、服務器、打印機等組成，負責對礦井終端采集節點采集回來的信息進行數據顯示、數據存儲，并實時監測ZigBee無線傳感網絡各個網絡點的運行狀態，實現對ZigBee模塊、傳感器模塊參數的設置，同時具備故障預警、報表打印以及控制指令下發功能；以太網通信單元負責上位機與ZigBee無線傳感網絡之間的轉換通信；ZigBee無線通信網絡由路由器、協調器、終端節點組成，通過ZigBee技術將各個設備連接為一個整體，形成一個自組多跳網絡，ZigBee無線傳感網絡替代傳統有線布線網絡；傳感采集節點負責進行瓦斯監控數據的信號轉換、現場故障報警、數據顯示、ZigBee數據傳輸等功能。

圖1 煤礦瓦斯ZigBee無線通信網絡監控系統總體方案

2 硬件方案設計與選型

2.1 傳感終端采集節點硬件方案設計

傳感終端采集節點由供電單元、單片機、聲光報警模塊、LCD液晶顯示模塊、瓦斯傳感器、信號調理電路、ZigBee通信模塊等組成，布置在礦井現場的各個地方，每個節點都具備ZigBee 無線通信功能及瓦斯濃度檢測功能。其中，瓦斯傳感器負責檢測礦井瓦斯氣體濃度，瓦斯傳感器配置信號調理電路，負責將傳感器的微弱信號放大輸入到單片機的 12 位 AD 模塊中；聲光報警裝置負責瓦斯濃度超限報警，警示工作人員；LCD液晶顯示模塊負責現場實時數據顯示；供電單元負責為單片機、信號調理電路、傳感器等提供電源，系統選用12 V/100 Ah 鋰電池作為供電模塊，可供所有模塊全天候正常運行 2 天 以上；ZigBee模塊為通信模塊，負責信號的傳輸及接收。圖2所示為傳感終端采集節點硬件方案框圖。

圖2 傳感終端采集節點硬件方案框圖

傳感終端采集節點的核心處理器為MSP430單片機，負責進行傳感器數據的分析處理及與ZigBee無線傳感網絡的對接。具體型號選用MSP430F149，該芯片體積小，功耗低，非常適合礦井工作環境，正常運行功耗 280 μA，休眠狀態功耗不足 1 μA，額外配置 32.768 MHz 晶振源和按鍵復位電路[5]。

2.2 ZigBee無線通信網絡設計

ZigBee無線通信網絡屬于系統的數據匯聚層，整個無線網絡由三部分構成，分別為協調器、路由器、終端節點，設備之間通過星型網狀拓撲進行數據傳輸，大量終端節點通過自組織方式便可構成網絡，通過逐級跳躍及多個節點的相互處理，匯集到路由器節點，最后通過協調器節點完成與上位機監控系統的數據管理。圖3所示為ZigBee無線通信傳感網絡拓撲結構，協調器、路由器、終端節點皆采用TI公司的CC2430芯片，該芯片內置8051高性能微控制器內核、射頻模塊、14位模數轉換器等，功能強大，系統功耗低，無線接收信號靈敏度高。

圖3 ZigBee無線通信傳感網絡拓撲結構

2.3 傳感器檢測單元設計

瓦斯傳感器選用 MJC4/3.0 L元件，工作電流為 120±10 mA，工作電壓為 3.0±0.1 v，功耗相當低。該傳感器擁有由檢測元件和補償元件組成的電橋，電壓輸出呈線性變化，適用溫度為 0～40 ℃，相對濕度為 45～75 ℃，大氣壓力為 80～116 kPa，工作穩定性高，測量數據響應速度快、精度高。一般將瓦斯傳感器安裝在工作面上隅角處，工作面重點區域也需要安裝，間隔距離為750 m。為實現瓦斯檢測數據的有效傳輸，系統采用LM324芯片設計了相應的運算接口電路，通過此接口電路輸出電壓值與 A/D 轉換電路連接，便可得到ZigBee終端可接收的數據形式[6]。運算接口電路如圖4所示。

圖4 運算接口電路

2.4 ZigBee模塊與單片機接口電路設計

為實現ZigBee芯片CC2430與單片機MSP430 F149之間的數據交換、命令發送等，對兩者之間的接口電路進行了設計，通過SPI接口進行通信，MSP430F149處于主模式，CC2420 處于從模式，將CC2430與MSP430F149的 P3 口和 P4 口連接。其他引腳根據CC2430各個引腳的功能進行對應連接。圖5所示為接口電路。

圖5 接口電路設計

3 系統軟件方案設計

系統軟件程序設計的關鍵在于三類節點的通信程序設計，包括協調器軟件通信程序設計、路由器軟件通信程序設計、終端采集節點軟件通信程序設計。編程軟件采用IAR Embendded Workbench(IAR EW)集成開發環境。圖6所示為終端采集節點通信程序流程框圖。

圖6 終端采集節點程序流程框圖

工作流程為：圖6終端采集節點進行系統初始化，對供電單元進行信息采集，確保正常上電。模塊上電正常運行后發送ZigBee無線網絡信號，由路由器分配對應的網絡地址給自己，確認加入無線網絡，同時進入定時模式，對傳感器采集數據進行定時采集上傳，終端采集節點會在固定間隔時間向路由器節點發送自身信息，由路由器將位置信息和采集到的數據發送給協調器節點。

4 實際應用效果分析

目前該系統已在礦井投入運行，基于 ZigBee的新型無線網絡，系統運行正常，可通過上位機監控平臺對每個網絡節點發送和接收的數據進行跟蹤顯示。圖7所示為上位機監控平臺的工作界面圖。

圖7 上位機監控平臺的工作界面圖

表1為系統運行過程中各終端節點通信數據的傳輸情況，從表中可以看到數據丟包率較低，數據傳輸穩定性高。表2所列為ZigBee 網絡節點的功耗情況，可以看到正常運行狀態和休眠狀態下協調器節點、路由器節點和終端節點功耗都非常低，節點工作周期明顯提升。 休眠狀態下終端采集節點可連續待機7 000 h左右。工作狀態下協調器連續工作時長為43 h，路由器節點連續工作時長為50 h， 終端節點連續工作時長為62 h。

表1 系統運行過程中各終端節點通信數據的傳輸情況

表2 ZigBee 網絡節點功耗情況 /mA

5 結 語

針對原瓦斯監控系統有線傳輸方式存在的問題，結合Zigbee無線傳感器網絡技術，實現了礦井瓦斯濃度的無線遠程實時監測。該系統可通過分布在礦井各個區域的終端采集節點，以自組網多跳的形式無線傳輸瓦斯監測數據，整個監測系統安裝方便，功耗低，可靠性高，提高了系統的監測能力及監測范圍，在煤礦安全監測中具有非常廣闊的應用前景。