基于XBee-Pro的礦井安全檢測與監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計*

湛江書，謝曉佳，馮發(fā)維

（重慶大學(xué)資環(huán)及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400030）

煤礦安全事故中，瓦斯是影響煤礦安全生產(chǎn)的最主要因素，其安全隱患嚴(yán)重威脅著礦井作業(yè)工人的人生安全。我國所有煤礦均為瓦斯礦井［1］，大中型煤礦中，高瓦斯礦井占20.34%，突出礦井占19.77%，據(jù)統(tǒng)計［2］，從2009年5月至2010年6月，瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出和瓦斯爆炸產(chǎn)生的CO中毒等事故其總的事故率占礦業(yè)事故的37.89%，由此可見，有效地預(yù)防與控制瓦斯事故是改善我國煤礦安全狀況的重中之重。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究一直被視為工礦安全設(shè)備研究的熱點［3］，然而目前絕大多數(shù)的礦井安全系統(tǒng)均存在三大缺點:一是井下監(jiān)測覆蓋面較小，存在著較多的監(jiān)控死角［4］，二是只注重了瓦斯?jié)舛取貪穸?、氣壓等自然?zāi)害因素當(dāng)前值的監(jiān)測而忽略了其相關(guān)的變化率參數(shù)，存在較大的監(jiān)測漏洞;三是有線方式進(jìn)行井下監(jiān)測信息傳輸，隨著煤炭生產(chǎn)的挖掘、礦井結(jié)構(gòu)的變化、坑道空間變得越來越狹窄，有線通信線路延伸和維護(hù)會更加困難，并且線路一旦發(fā)生故障，煤礦監(jiān)測系統(tǒng)也即將會癱瘓。

1 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)［5，6］是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的新興短距離、架構(gòu)簡單、低功耗和低傳輸速率的無線通信技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量大，整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持64 000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點;數(shù)據(jù)傳輸可靠，MAC層采用標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CA方式，避開發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭與沖突;免許可的無線通信頻段，在IEEE802.15.4有兩個物理層，提供兩個獨立的頻段帶868/915 MHz和2.4 GHz，2.4 GHz頻段適用于全世界范圍內(nèi)，分別可以容納1個/10個和16個信道，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。采用工作在2.4 GHz頻段，直接擴(kuò)頻模式，因其省電、可靠、成本低以及體積小等特點，主要只適用于自動控制、傳輸、傳感、監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。

2 井下監(jiān)測系統(tǒng)

2 .1 系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)

礦井內(nèi)部的環(huán)境信息，礦井內(nèi)的震動、溫度、濕度和瓦斯?jié)舛葧r礦井安全的重要測控指標(biāo)。針對井下的環(huán)境和特點，尤其是瓦斯?jié)舛鹊臋z測監(jiān)控，是礦井安全的一個重要指標(biāo)，因此要確保礦井工作環(huán)境的安全，必須對礦井內(nèi)的震動、瓦斯?jié)舛?、溫度和濕度及其變化率等環(huán)境信息及時準(zhǔn)確掌握，需要選用檢測震動的傳感器，檢測溫度濕度的傳感器和瓦斯傳感器。當(dāng)然也可以根據(jù)實際情況選擇對應(yīng)傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)聲音和光線等其他物理信號進(jìn)行檢測。

2 .2 井下監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括傳感器信號采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)3個部分。數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)是整個監(jiān)測系統(tǒng)的前端設(shè)備，其功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸和保存。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能是將前段發(fā)來的數(shù)據(jù)自動接收并進(jìn)行處理，自動與預(yù)設(shè)的預(yù)警值進(jìn)行比對，判斷井下的安全狀態(tài)并決定是否需要報警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，主要由部署于井下采掘面的終端傳感器節(jié)點、坑道中繼節(jié)點、匯聚節(jié)點和監(jiān)控中心站組成。

系統(tǒng)工作原理:基于zigbee的井下分布式瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含部署于采掘面各點的瓦斯傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點通過甲烷傳感器探頭實時探測瓦斯?jié)舛?，在?nèi)核程序中根據(jù)瓦斯?jié)舛燃捌渥兓蔬M(jìn)行模糊推理和閥值判斷生成預(yù)警信號，然后通過zigbee網(wǎng)絡(luò)將打成包的預(yù)警信號和節(jié)點位置信息傳輸?shù)娇拥乐欣^節(jié)點;坑道中繼節(jié)點對來自管轄區(qū)傳感器節(jié)點的預(yù)警信息包進(jìn)行匯總形成預(yù)警判斷數(shù)據(jù)包，然后通過zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點，最后通過總線RS232將數(shù)據(jù)信息從匯聚節(jié)點傳給監(jiān)控中心站，最終由監(jiān)控中心的計算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)預(yù)警數(shù)據(jù)的分析、入庫和聲光報警。

圖1 煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計，包括無線傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和中繼節(jié)點的硬件設(shè)計。

3 .1 節(jié)點總體設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點［7，8］由傳感器模塊（傳感器單元和A/D轉(zhuǎn)換單元）、數(shù)據(jù)處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊和電源模塊5部分組成;中繼節(jié)點的功能是接收、分析處理和轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點，因此不需要傳感器模塊，只保留無線傳感器節(jié)點的其他核心電路;匯聚節(jié)點充當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，且有與控制中心的PC機(jī)通過RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互通信，故匯聚節(jié)點的電路組成除了包括中繼節(jié)點電路組成外還需加上外圍電路包括RS-232接口電路和擴(kuò)展存儲電路，用以緩沖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在此采用AT24C16 E2PROM。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的制作主要由傳感器電路主板和無線通信模塊組成。傳感器電路主板上集成傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、擴(kuò)展電路、接口電路、報警電路和電源模塊，無線通信模塊安插在主板上構(gòu)成完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。無線傳感器節(jié)點電路連接圖如圖2所示。

3.2 節(jié)點的硬件實現(xiàn)

（1）處理器模塊。處理器模塊采用TI公司的低功耗的芯片MSP430F149，芯片有16位的總線，64 K的尋址范圍，2個16位定時器、1個14路的12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個看門狗、兩路USATR通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和2個外部時鐘，由于為FLASH型，可以在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載且JTAG口直接和FET 相連，不須另外的仿真工具.在超低功耗方面，其處理器功耗（1.8 ～3.6 V，0.1 ～400 μA ，250 μA/MIPS）和口線輸入漏電流（最大50 μA）都是最低的。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電路連接圖

（2）傳感器模塊。傳感器模塊主要采用ADXL202監(jiān)測震動傳感器、Sensirion SHT11數(shù)字式溫/濕度傳感器和MC112型熱催式瓦斯傳感器。ADXL202是一款雙軸加速度測量系統(tǒng)，模擬輸入，可測量動態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，輸出為周期可調(diào)的脈沖調(diào)整信號，可直接與單片機(jī)或計數(shù)器連接，并且具有性能高、準(zhǔn)確性高、功耗低的特點，輸入電流小于0.6 mA。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。芯片相對溫度和濕度一體測量，精確露點測量，全程標(biāo)定，兩線制數(shù)字接口，尺寸小，CMOS工藝，具有較高的精確度和穩(wěn)定性，相對溫度傳感器的測量范圍:－40到+123℃;精度:±0.5℃（25℃），±0.9℃（0～40℃）;響應(yīng)時間:t＜20 s;分辨率:0.01℃;重復(fù)度:±0.1℃;相對濕度傳感器的測量范圍:0～100%RH;精度:±3%RH（20－80%RH）;響應(yīng)時間:t＜4 s;分辨率:0.03%RH;工作溫度:－40到+120℃。

MC112是根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用。MC112瓦斯傳感器，工作電壓（V）:3.0±0.1;工作電流（mA）:110±10;靈敏度（mA）:20～40（1%甲烷），30～50（1%丁烷），25～45（1%氫氣）;測量范圍（%LEL）:0～100;響應(yīng)時間:t＜10 s;使用環(huán)境:－40至+70℃ （低于95%RH）;防爆標(biāo)準(zhǔn):Exdib I。由于是多傳感器系統(tǒng)，不同的傳感器檢測的物理信息不同，其輸出信號類型也不同，而且傳感器輸出大都為非線性，加上溫度、濕度、電源波動等環(huán)境因素的影響，使得傳感器的輸出信號不能準(zhǔn)確地反映被測物理量，容易造成測量準(zhǔn)確度不夠高、穩(wěn)定性差等問題，多傳感器芯片的配置可以采用ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）來改善每一個傳感器測量的線性特性，提高檢測精度［9］。將多傳感器、模擬和數(shù)字信號處理電路以及微處理器集成在同一芯片上，實現(xiàn)智能傳感。

（3）無線通信模塊。在無線解決方案的選擇上，系統(tǒng)采用將無線收發(fā)器和控制器集成在一起的單芯片解決方案［10］，選用Max Stream公司與ZigBee兼容的以Freescale MC13193芯片為核心的XBee-Pro RF模塊，XBee-Pro模塊為即插即用方式。XBee-Pro模塊設(shè)計滿足IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4 GHz。在網(wǎng)絡(luò)性能方面，具有DSSS（直接序列擴(kuò)頻）功能，可以組成對等網(wǎng)、點對點以及點對多網(wǎng)絡(luò)。XBee-Pro模塊的最大優(yōu)點是體積小，功耗低，非常適用于低數(shù)據(jù)速率的通信應(yīng)用，傳輸距離［10］在室外可達(dá)1 500 m，這為在邊坡監(jiān)測中數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸提供了依據(jù)。XBee-Pro模塊有20個引腳，其中引腳中的VCC、GND、DOUT及DIN用于與RS232接口的電路板引腳連接。VCC引腳是電源引腳，范圍為2.8～3.4 V;GND為地引腳;DIN引腳信號方向為輸入，作為UART的數(shù)據(jù)輸入，通常與處理器的UART接收端TX相連;DOUT引腳信號方向為輸出，作為UART數(shù)據(jù)輸出，通常與處理器的UART接收端RX相連。XBee-Pro模塊中集成有一個UART接口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)串行數(shù)據(jù)通過DIN引腳進(jìn)入XBee-Pro模塊后，數(shù)據(jù)會先存儲在 DI緩沖器中。直到被發(fā)送器通過天線發(fā)送出去;當(dāng)天線接收RF數(shù)據(jù)后，接收數(shù)據(jù)則先進(jìn)入DO緩沖器，然后再串行送入主機(jī)中。在一定條件下，模塊可能無法立即處理串位接收緩沖中的數(shù)據(jù)，這個時候就需用到CTS流控以此來避免因大量串行數(shù)據(jù)輸人而造成接收緩沖溢出的問題，XBee-Pro模塊可以通過UART接口直接與微控制器的UART接口相連。休眠模式是一種低功耗工作模式，對于以電池供電的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，電源功耗是一個相當(dāng)重要的技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)模塊處于不工作狀態(tài)時，應(yīng)將其設(shè)置為低功耗的休眠模式，對XBee-Pro模塊，可以通過控制SLEEP-RQ引腳使其進(jìn)人休眠模式。

（4）節(jié)點供電方式。傳感器節(jié)點和中繼節(jié)點采用9 V鎳氫電池供電，由于供電電池能量有限，因此對供電電路的設(shè)計提出了較高要求。為了保證硬件電路功耗低，節(jié)點均選擇低功耗芯片，工作電壓采用3.3 V，電源使用兩節(jié)電池供電，并使用DC-DC轉(zhuǎn)換電路使電壓能穩(wěn)定在3.3 V，同時轉(zhuǎn)換電路還具有延長電池壽命的作用。電源管理模塊采用NCP1402微功耗升壓DC-DC變換器，它專門為使用1～2節(jié)電池的便攜式設(shè)備提供1.8～5.0 V的電源。其的啟動電壓非常低為0.8 V，工作時可降至0.3 V，當(dāng)輸入為2.0 V，輸出為3.0 V時，輸出電流可為200 mA。在芯片內(nèi)部含有PFM（脈沖頻率調(diào)制振蕩器）、PFM控制器、PFM比較器、軟啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、驅(qū)動器等。

圖3 XBee-Pro模塊UART內(nèi)部數(shù)據(jù)控制流圖

NCP1402系列器件的封裝形式為薄型SOT-23-5，有5種標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定輸出電壓。此外還可以制造其他輸出電壓在1.8 V～5.0 V范圍內(nèi)（間隔為100 mV）的器件。電源管理模塊電路圖如圖4所示。其中BT1為電池接口，J1跳線部分為使能和不使能該芯片。

圖4 電源模塊連線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括無線傳感器節(jié)點的程序設(shè)計和監(jiān)控中心的軟件設(shè)計。無線傳感器節(jié)點的程序設(shè)計主要是無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、路由接收與轉(zhuǎn)發(fā)、以及數(shù)據(jù)的分析與處理，節(jié)點程序均采用嵌入式C語言編程實現(xiàn)。

（1）傳感器節(jié)點的程序設(shè)計。系統(tǒng)上電后，首要完成系統(tǒng)初始化，進(jìn)入休眠模式，等待中斷請求。采用加權(quán)平均濾波法消除隨機(jī)干擾，用以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，內(nèi)存中設(shè)定一個預(yù)定閥值，傳感器采集的數(shù)值與閥值進(jìn)行比較，如果超過預(yù)定閥值，傳感器節(jié)點將生成預(yù)警信號，并將采集數(shù)據(jù)和警報數(shù)據(jù)包一同發(fā)送給系統(tǒng)動態(tài)選擇的路由節(jié)點。傳感器節(jié)點的軟件流程圖如圖5所示。

（2）路由程序設(shè)計。節(jié)點上電復(fù)位后，MSP430F149在程序主循環(huán)中定時監(jiān)測引腳P4.7，當(dāng)XBee-Pro模塊收到來自傳感器節(jié)點的預(yù)警信號后，通過SRDY發(fā)出請求。MSP430F149監(jiān)測到該請求時響應(yīng)XBee Pro模塊，然后通過SPI口線接收XBee-Pro的數(shù)據(jù)包并進(jìn)行合法校驗.校驗成功后在數(shù)據(jù)包外層貼敷中繼節(jié)點自身信息（節(jié)點ID、中轉(zhuǎn)時間等），并最終將二次封裝的數(shù)據(jù)包通過XBee Pro轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點。程序流程如圖6所示。

（3）監(jiān)控中心軟件設(shè)計。監(jiān)控中心軟件程序是中心管理系統(tǒng)，主要基于可視化編程語言Visual Basic 6.0和數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)負(fù)責(zé)實時接收來自礦井無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警信號，并向監(jiān)控人員示警以便相關(guān)部分部門積極采取安全防護(hù)措施，同時自動將預(yù)警信息存入數(shù)據(jù)庫，為以后查案和建立邊坡預(yù)測模型提供參考。

圖5 傳感器節(jié)點的軟件流程圖

圖6 路由流程圖

5 結(jié)論

提出了一種新型的礦井檢測與監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，方案通過引進(jìn)與ZigBee兼容的以Freescale MC13193芯片為核心的XBee-Pro模塊構(gòu)造井下分布式監(jiān)測系統(tǒng)。由于XBee-Pro模塊在網(wǎng)絡(luò)性能方面具有組網(wǎng)快捷和室內(nèi)外傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，大大拓展了節(jié)點在坡體監(jiān)測的信號覆蓋面，減少了監(jiān)控死角;大量的傳感器節(jié)點分區(qū)布設(shè)在巷道與采區(qū)，將礦井全面納入到自動監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測范圍內(nèi)，提高了礦井安全預(yù)警的有效性;此檢測與監(jiān)測系統(tǒng)集傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的實時監(jiān)控系統(tǒng)，具有低復(fù)雜度、低功耗、布線方便、系統(tǒng)安全等特點，為煤礦安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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