基于ZigBee的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

劉 兵 陳 衡

（淮北職業(yè)技術學院電子信息工程系，安徽 淮北 235000）

0 引言

針對實際煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境中易燃、易爆、電磁環(huán)境和地質環(huán)境相當復雜等情況，使得井下安全穩(wěn)定的生產(chǎn)顯得尤其重要。因此，對井下環(huán)境及人員的實時監(jiān)測就加必不可少，本文采用ZigBee 技術構建無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有功率消耗小、維護方便和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠提高煤礦安全生產(chǎn)和災前防治的效率。

1 系統(tǒng)設計方案

基于ZigBee 的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要包括ZigBee 傳感網(wǎng)絡、本地監(jiān)控終端、遠程監(jiān)控終端以及嵌入式網(wǎng)關4 部分，具體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)主要包括協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。其中協(xié)調器節(jié)點負責整個無線傳感網(wǎng)絡的初始化與組網(wǎng)，并且路由節(jié)點和終端節(jié)點會主動搜尋該網(wǎng)絡并加入網(wǎng)絡。協(xié)調器節(jié)點分為主協(xié)調器節(jié)點和移動協(xié)調器節(jié)點，其中移動協(xié)調器節(jié)點通過串口與手持終端進行連接，實時監(jiān)測井下環(huán)境的數(shù)據(jù)和用戶的具體位置信息。

其中ZigBee 網(wǎng)絡協(xié)調器與ARM 嵌入式平臺組成嵌入式網(wǎng)關，主要負責本地的監(jiān)控主站和遠程Internet 監(jiān)控站與ZigBee 傳感器網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸。

遠程Internet 監(jiān)控站是用戶通過Internet 網(wǎng)絡訪問Web Server 服務器的相關網(wǎng)頁，從而實現(xiàn)用戶遠程對井下環(huán)境進行監(jiān)控和人員定位。

2 系統(tǒng)硬件設計

本文所設計的系統(tǒng)硬件電路主要包括主控制器模塊、ARMWinCE 平臺、無線射頻模塊、傳感器模塊和電源管理模塊等5 部分共同組成。

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊采用ST 公司的具有Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F401微處理器。STM32F401 與CC2530 構成嵌入式網(wǎng)關，該網(wǎng)關可將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C，并可通過ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡與各下級節(jié)點進行實時通信，并且通過LAN 總線將其接入局域網(wǎng)。

2.2 無線射頻模塊

無線射頻模塊由TI 公司的CC2530 作為系統(tǒng)的主控制器，可實現(xiàn)定位功能，根據(jù)接受的信號強度與其最近節(jié)點的參考位置坐標從而準確計算出測測人員該時刻的具體位置。CC2530 內(nèi)部集成8051 內(nèi)核和RF 收發(fā)模塊，只要在其外圍添加很少的元器件即可完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

2.3 傳感器模塊

本系統(tǒng)主要集成了TX0001 熱釋紅外檢測傳感器、SHT10 溫濕度傳感器、MJC4/2.8J 型催化燃燒式CH4 傳感器和光敏傳感器，這些傳感器的信號輸出可通過STM32F401 內(nèi)部集成的A/D 模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉換和處理。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計部分主要包括上位機監(jiān)控軟件設計、遠程Internet 監(jiān)控終端的軟件設計、ZigBee 協(xié)議棧Z-Stack 設計和終端節(jié)點程序設計等4 部分。

3.1 上位機監(jiān)控軟件設計

上位機監(jiān)控軟件功能是要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的可視化監(jiān)測和控制?？紤]到ARM-WinCE 構成的手便攜式終端與上位機軟件具有比較類似的功能，所以此時采用C++可視化圖形界面作為本系統(tǒng)的上位機開發(fā)界面。

3.2 遠程Internet 監(jiān)控終端的軟件設計

本系統(tǒng)采用三星公司的S3C6410 作為嵌入式開發(fā)平臺的主控制器，開發(fā)基于Linux 操作系統(tǒng)的具有遠程訪問功能的網(wǎng)關。其中Web服務器采用ASP 技術開發(fā)具有動態(tài)服務功能的網(wǎng)頁程序，以便用戶通過Intenet 實現(xiàn)對煤礦井下環(huán)境和人員的實時監(jiān)控。

3.3 ZigBee 協(xié)議棧Z-Stack 設計

ZigBee 協(xié)議棧Z-Stack 設計主要包括協(xié)調器節(jié)點的程序設計和終端節(jié)點的程序設計。其中，協(xié)調器節(jié)點主要負責整個無線傳感網(wǎng)絡的組網(wǎng)和網(wǎng)絡的維護，同時在組網(wǎng)結束后還需要實現(xiàn)與上位機通信和與終端節(jié)點進行實時數(shù)據(jù)傳輸；而終端節(jié)點主要完成人員的實時定位和煤礦井下環(huán)境參數(shù)的實時采集。

4 實驗測試

為測試整個系統(tǒng)的實際應用性能，將設計的系統(tǒng)應用到某礦的實際工作面，在該采取安裝15 個ZigBee 終端節(jié)點設備，5 個路由節(jié)點設備，分別分布在采區(qū)的各個工作面以及巷道周圍的各個位置，10 個工人每人攜帶一個Zigbee 終端節(jié)點發(fā)射模塊，在巷道的不同位置間行走。經(jīng)過實際應用與測試，各測量指標符合煤礦井下人員定位的具體要求，同時也可以實時的將井下監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控主站。

5 結論

本文將ZigBee 技術與嵌入式技術相結合，設計基于ZigBee 技術的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，并通過實際應用驗證該系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。在滿足要求的情況下，可準確的對井下人員進行定位和井下環(huán)境進行監(jiān)測。實際應用表明，該系統(tǒng)在煤礦井下定位和環(huán)境監(jiān)測方面將具有很好的應用前景。

［1］葛巍.基于ZigBee 和礦井安全監(jiān)測及定位系統(tǒng)的研究與設計[D].東華大學，2013.

［2］張義，黃友銳，劉聰美，曲立國，凌六一，陳珍萍，葛平平.基于ZigBee 的煤礦安全監(jiān)測及定位系統(tǒng)設計[J]，煤炭技術.2014(4).