ZigBee技術在煤礦安全監控系統中的應用研究

陳 煒，張 瑩

(渭南師范學院 物理與電氣工程學院,陜西 渭南 714000)

煤礦資源是非常重要的能源形式，在保障人們基本生活和促進社會工業發展方面發揮著重要作用[1]。隨著人們對煤炭資源需求量的不斷提升，煤炭開采效率和數量均快速提升。由于地表煤炭資源總量是有限的，隨著長年累月的煤炭開采，淺層煤炭資源幾乎開采完畢，目前煤礦開采正朝著縱深方向發展[2]。在開采煤炭資源時，不可避免地會涌出瓦斯、CO等有毒有害氣體，同時會產生大量粉塵，且開采深度越深，上述問題越嚴重[3]。有毒有害氣體和粉塵輕則對井下工作人員的身體健康產生影響，嚴重時引發煤礦安全生產事故，威脅井下人員生命安全[4]。近年來我國出現的多起煤礦安全生產事故均與礦井環境中的瓦斯、CO、粉塵等存在關聯。所以有必要設計研究煤礦安全監控系統，對礦井中的環境參數進行實時監測，保障煤礦安全[5]。本文基于ZigBee技術設計了安全監控系統，并將其部署到煤礦生產實踐中，取得了很好的效果。

1 安全監控系統整體方案設計

1.1 ZigBee技術概述

(1)ZigBee協議棧。ZigBee協議棧包含有多層結構，具體包含4個，分別為應用層、網絡層、控制層以及物理層，每個層級都具有其應有的功能，通過接入點實現不同層級之間的相互服務與支持[6]。ZigBee協議棧的主要結構如圖1所示。

圖1 ZigBee協議棧的主要結構Fig.1 Main structure of ZigBee protocol stack

(2)ZigBee主要設備類型。ZigBee技術涉及的設備包含很多種類型，但在本文研究的安全監控系統中，主要使用2種設備類型，分別為協調器設備和終端節點設備，上述兩種設備之間可以基于ZigBee無線技術實現數據信息傳輸，在工業領域得到很廣泛的應用，可以保證數據傳輸的穩定性和可靠性，確保數據不丟失[7]。通常情況下，一個ZigBee無線網絡中只需要設置1個協調器設備即可，屬于整個無線網絡的中心，需要完成無線網絡的構建同時接收其他終端節點加入無線網絡的請求，也要負責對無線網絡進行維護。協調器設備的穩定運行是確保ZigBee無線網絡正常工作的基礎和前提，要求協調器設備時刻處于工作狀態。終端節點設備的作用是收集傳感器采集獲得的數據信息，并將其傳輸到協調器設備中。由于終端節點設備的整體結構和功耗都比較簡單和低。因此，可以利用電池對其進行供電。終端節點設備不要求時刻處于工作狀態，根據指令進行工作即可，其他時間處于待機狀態。

1.2 整體方案設計

基于先進的ZigBee技術構建安全監控系統，目前ZigBee技術的拓撲結構網絡有多種形式，包括星型結構網絡、樹形結構網絡、網狀結構網絡等[8]。本研究選用星型ZigBee拓撲結構網絡建立監控系統，煤礦安全監控系統的整體方案如圖2所示。

圖2 煤礦安全監控系統的整體方案框架Fig.2 Overall scheme framework of coal mine safety monitoring system

由圖2可知，安全監控系統整體上可以劃分成為3大部分，分別為上位機系統、協調器設備和終端節點設備。其中，終端節點設備的主要作用是對礦井中的環境參數進行實時監測。涉及煤塵檢測、溫度和濕度檢測、一氧化碳檢測和瓦斯濃度檢測等電路，還包括電源電路、復位電路、斷電電路等。協調器和終端節點中均使用CC2530處理器模塊對數據進行發射或接受，且都可以使用5 V DC電源和USB電源對各項硬件設施進行供電，也可直接使用干電池進行供電，具有體積小、功耗低等優勢。終端節點設備和協調器設備之間基于ZigBee無線網絡實現數據信息交互，協調器與上位機之間基于RS-232通信協議實現數據信息的傳輸。由于礦井涉及范圍非常廣，因此需要在礦井中很多位置尤其是關鍵位置設置終端節點設備，以便能夠對礦井全范圍環境參數進行采集。上位機系統可以對采集獲得的數據信息進行顯示、存儲以及查詢。如果系統檢測發現煤礦中的環境參數超過了設定的安全閾值，會向外發出聲光警報，提示工作人員采取對應的應急措施。

2 系統主要硬件設施選型設計

2.1 CC2530處理器電路模塊

基于ZigBee技術構建的煤礦安全監控系統，首先需要建立ZigBee無線網絡，涉及終端節點設備和協調器設備，以上2項設備均選用CC2530型號芯片。該型號芯片不僅具有單片機的功能，內部還包括無線發射器和接收器硬件設施，能夠完成數據信息的發射和接收工作。使用的8051內核具有良好的運算性能，完全能夠滿足本安全監控系統的實際工作需要。ZigBee無線網絡中CC2530芯片的主要作用是對傳感器采集獲得的數據信息進行收集，并基于建立的無線網絡對數據信息進行發射和接收。

完成封裝工作后的CC2530處理器芯片規格尺寸只有6 mm×6 mm，但具有40個引腳，可以與多種類型的硬件設施進行連接,實現功能的拓展和數據交互[9]。能夠正常工作的電壓范圍比較寬，具體為2～3.6 V。工作時的功耗相對較低，最低時工作電流可以達到0.2 mA，具有相對較高的運行速度，正常工作時的工作頻率可以達到32 Hz。

2.2 電源電路模塊

安全監控系統正常工作時涉及很多硬件設施，并且不同的硬件對供電電壓的需求存在一定差異。對于本系統而言，需要用到的電壓類型包括+3、+3.3、±5 V，均要求為直流電源。外部只能夠提供+5 V直流電源，需要利用專門的電源電路模塊將+5 V電源轉化成為其他3種類型的電源對系統中的硬件設施進行供電，需要設計3個電源轉換電路，使用的電源芯片型號分別為HT7530、HT7533和ICL7660。電源轉換電路如圖3所示。

圖3 電源轉換電路Fig.3 Power conversion circuit

HT7533和HT7530型號芯片均采用的是COMS技術，該芯片具有3個端口對電壓進行調整，具有功耗低的特點，可以調整的電壓也相對較高，最高可以對24 V的直流電源進行電壓調整，輸出的電壓具有很好的穩定性，誤差大小可以控制在3%范圍以內。ICL 7660型號芯片是一種專門針對電壓進行轉換的芯片，正常工作時的電流和頻率分別為170 μA和10 kHz，可以輸出的電壓范圍比較寬，可以根據實際需要在1.5～10.0 V內進行設置。

2.3 傳感器接口電路設計

傳感器的作用是對礦井環境參數進行實時采集，其性能好壞會對安全監控系統運行的可靠性產生重要影響。本系統中設置的終端節點設備中，設置有4種類型的傳感器，分別對煤礦環境中的粉塵、溫濕度、瓦斯和CO狀態參數進行檢測。由于礦井的環境比較復雜，對安全性能要求較高，因此選用的傳感器必須是本質安全型設備。

(1)瓦斯濃度監測電路。煤礦開采中瓦斯涌出是不可避免的問題，為了保障井下安全，通常要求瓦斯濃度不得超過1%，一些礦井要求瓦斯濃度不得超過0.75%。選用MJC4-3.0L型防爆瓦斯濃度傳感器對礦井中的瓦斯濃度進行檢測，可以檢測的瓦斯濃度范圍為0～4%。該傳感器具有良好的響應速度，運行過程穩定、可靠，在工業實踐中取得了很好的效果。瓦斯監測及其報警電路如圖4所示。

圖4 瓦斯監測及其報警電路示意Fig.4 Schematic diagram of gas monitoring and alarm circuit

由于傳感器檢測獲得的信號比較弱，需要利用INT118型放大芯片對信號進行放大處理后再傳入到CC2530芯片中進行處理。該芯片需要采用+5 V和-5 V的雙電壓對其進行供電。如果瓦斯濃度超過了系統設定的安全閾值，會通過揚聲器以及LED燈向外發出聲光警報，提示工作人員及時采取措施進行處理。

(2)CO濃度監測電路。煤礦中會包含有一定濃度的CO，為了確保井下工作人員的安全要求，濃度不得超過0.002 4%，選用MQ-7型CO濃度傳感器對煤礦中的CO參數進行實時檢測。CO濃度監測接口電路原理如圖5所示。由圖5可知，CO濃度監測接口電路總共設置了2個輸出端，其中1個端口輸出的是電平信號，另1個端口輸出的是CO濃度模擬量電壓信號。使用傳感器對煤礦CO濃度進行檢測時，首先需要在系統中設置1個CO濃度安全閾值，即為0.002 4%。如果實際結果低于安全閾值，則會向外輸出1個低平信號，如果檢測發現CO濃度超過了安全閾值，則會向外輸出1個高平信號，系統根據低平信號和高平信號來判斷CO濃度是否超標。

圖5 CO濃度監測接口電路原理Fig.5 Principle of CO concentration monitoring interface circuit

(3)粉塵濃度監測電路。系統中使用DSM501A型粉塵傳感器對煤礦中的粉塵濃度進行檢測，主要是利用光學原理對空氣中的微小顆粒濃度進行檢測，屬于非接觸式設備，不會對被檢測對象產生干擾。

(4)溫濕度監測電路。溫濕度是煤礦中非常重要的環境參數，溫濕度是否合適會直接決定礦井工作人員身體的舒適性。一般情況下，最舒適的溫度范圍為18～24 ℃，濕度范圍為40%～62%。研究中使用DHT11型溫濕度傳感器對礦井環境的溫度和濕度進行檢測。溫濕度監測接口電路原理如圖6所示。利用該檢測電路可直接獲得數字量信號，并將結果輸入到控制器中進行分析處理。

圖6 溫濕度監測接口電路原理Fig.6 Principle of temperature and humidity monitoring interface circuit

3 安全監控系統軟件設計

對于煤礦安全監控系統而言，硬件設施是保障其各項功能實現的基礎，但是還要配套使用軟件程序才能夠確保硬件設施功能的實現[10]。軟件程序是監控系統的“大腦”，控制著系統的運行，且決定著系統運行的穩定性和可靠性。研究中上位機系統的軟件程序基于VS2010軟件平臺進行開發設計，下位機系統即協調器和終端節點的軟件程序在Iar Emvedded Workbench編譯環境中實現。

3.1 協調器設備軟件程序設計

在基于ZigBee無線網絡技術的煤礦安全監控系統中，協調器是非常重要和關鍵的硬件設施，是建立終端節點與上位機系統之間的橋梁。不僅要負責構建基于ZigBee的無線網絡，接收終端節點設備加入網絡的請求，同時還需要基于RS-232通信協議實現與上位機系統之間的連接，將終端節點采集得到的數據信息傳輸到上位機中進行存儲、分析和處理。協調器設備的主要軟件程序流程如圖7所示。由圖7可知，安全監控系統通電開始運行后，首先需要對ZigBee協議棧以及各項硬件設施進行初始化處理，然后對信道進行掃描并構建無線網絡，完成網絡建設工作后，允許各個子節點加入無線網絡，協調器需要對每個節點分配物理地址，才能夠實現數據信息傳輸。協調器通過RS-232串口將接收到的數據信息上傳至上位機系統中進行分析處理。

3.2 終端節點設備軟件程序設計

終端節點設備是監控系統中的重要基礎，主要利用節點設備對煤礦中各個位置的環境狀態信息數據進行實時準確的采集。由控制芯片和各類專業的傳感器等部分構成。終端節點設備需要將傳感器檢測獲得的數據信息基于ZigBee無線網絡傳輸至協調器中。終端節點設備的主要軟件程序流程如圖8所示。由圖8可知，監控系統通電運行以后，同樣需要對ZigBee協議棧以及各項硬件設施進行初始化處理，然后申請加入ZigBee無線網絡。協調器接收到終端節點入網申請后，會給每個節點分配16位物理地址。成功加入網絡后，等待指令對環境中的信息參數進行采集，并通過ZigBee無線網絡傳輸至協調器。

圖7 協調器設備的主要軟件程序流程Fig.7 Main software program flow of coordinator equipment

圖8 終端節點設備的主要軟件程序流程Fig.8 Main software program flow of terminal node equipment

3.3 上位機軟件設計

上位機的作用是對數據進行存儲、分析，并以圖形的形式直觀化展示，涉及的功能包括用戶管理、系統設置、通信監控、數據信息查詢、圖表繪制等。數據信息基于RS-232通信串口從協調器中獲得，該過程通過MSComm控件完成，串口通信的主要工作流程如圖9所示。從圖9中可以看出，串口在打開前首先需要對相關的信息進行設置，如果串口已經打開，則需要先將其關閉再進行設置，然后再打開對數據進行接收和發送。

煤礦安全監控系統正常運行過程中會產生大量

圖9 串口通信的主要工作流程Fig.9 Main workflow of serial communication

的數據信息，包括用戶注冊信息、系統設置信息以及傳感器檢測獲得的數據信息，比如粉塵數據、CO數據、瓦斯數據、溫度和濕度數據等，龐大的數據量需要建立科學完善的數據庫對其進行分類存儲。本研究中利用SQL Server 2005構建數據庫對相關數據信息進行存儲，方便后續數據信息的查詢。建立的數據庫中共包含有3個表格，分別用來存儲傳感器檢測獲得的環境狀態數據信息、監控系統的用戶信息、系統報警信息。為了保障監控系統運行過程的安全性，所有用戶需要驗證用戶名和密碼后才能登錄系統，對系統進行設置并查看數據信息。

4 應用效果分析

為了對設計的煤礦安全監控系統的性能進行驗證，將其部署到某煤礦工程實踐中，并對系統的性能進行連續3個月時間的現場測試，測試期間根據現場中暴露的問題對系統進行了優化調整。經過現場測試以后，發現監控系統可以對礦井中各個部位的環境參數，包括CO、瓦斯、粉塵等情況進行實時準確的監測。整體而言，監控系統運行過程比較穩定可靠，各項功能都能夠實現。上位機系統對監測獲得的數據信息能夠快速處理，并實時在監控大屏上進行顯示。基于ZigBee技術的無線網絡能夠有效保障數據傳輸可靠性，基本沒有出現數據丟失問題。如果礦井中的環境參數超過了系統設定的安全閾值，系統可以快速向外發出聲光警報。設計的煤礦安全監控系統達到了預期效果，整體性能穩定可靠，為保障煤礦安全生產奠定了堅實的基礎。

5 結論

以煤礦中的安全問題為研究對象，基于ZigBee無線網絡技術構建了煤礦安全監控系統，所得結論如下。

(1)煤礦安全監控系統整體上可以劃分成為3大部分，終端節點設備的作用是利用傳感器對煤礦中的環境參數進行檢測，并基于ZigBee無線網絡輸送到協調器設備中，協調器通過RS-232串口實現與上位機系統之間的數據交互。

(2)終端節點和協調器中使用的芯片模塊型號均為CC2530，該芯片中集成有數據發送和接收功能，可以完成煤礦環境參數的發射和接收工作。對煤礦中使用的4類傳感器型號進行了詳細的介紹。

(3)軟件程序是確保安全監控系統各項功能實現的重要基礎，對終端節點設備、協調器設備和上位機系統的主要軟件程序進行了研究介紹。

(4)將設計的煤礦安全監控系統部署到工程實踐中，經現場調試以后發現各項功能都能夠實現，達到了預期效果。能夠對礦井環境參數進行準確及時的檢測，并對外發出聲光警報，為煤礦安全生產奠定了堅實的基礎。