基于Zig Bee的采空區無線溫度監測系統

安 璐，丁恩杰，李曙俏

(中國礦業大學物聯網(感知礦山)研究中心信息與電氣工程學院，江蘇徐州221008)

0 引言

采空區可分為散熱帶、氧化帶和窒息帶。其中由于氧氣濃度高，漏風強度較小，最容易發生浮煤自燃的是氧化帶［1］。煤的自燃主要是由于煤和氧氣接觸時發生的煤氧復合，即物理吸附、化學吸附和化學反應放出熱量，當放出的熱量大于散發出的熱量時，煤溫上升導致煤產生自燃。

采空區煤的自燃是一個復雜的物理化學過程，影響因素復雜，但概括起來可以歸納為如下幾個方面:1)具有一定厚度的浮煤;2)有充分含氧量的氣流持續的經過浮煤區;3)浮煤區有積蓄氧化熱量的環境［2，3］。

在煤的自熱過程中，溫度的變化直接反映了煤的自熱程度，因此，在采空區中可能發生煤的自燃的氧化帶中布設溫度傳感器，定時監測采空區遺留浮煤的溫度是研究采空區中煤溫變化，分析、預報煤炭自燃直接而有效的途徑之一。本文針對現有井下有線數據采集系統的不足，將基于Zig Bee技術的無線傳感器網絡引入井下，對采空區溫度進行實時監控，具有一定的實用意義和現實意義［4，5］。

1 系統總體架構

整個系統主要由終端節點、路由節點和Coordinator節點組成［6，7］。終端節數據采集節點主要負責通過溫度傳感器測量采空區溫度，并將采集得到的數據以無線的方式傳遞到路由節點上;路由節點通過多跳的方式將這些數據傳至Coordinator節點，同時路由節點也負責將Coordinator節點收到的上位機控制命令傳遞到終端節點;Coordinator節點負責將采集到的所有網絡數據進行處理，并通過CAN總線將數據傳送到井上上位機上，以供地面監控［8］。系統總體網絡結構如圖1所示。

圖1 系統總體網絡結構Fig 1 Overall network structure of the system

2 系統硬件設計

2.1 數據采集節點的硬件設計

數據采集節點主要由電源管理模塊、溫度傳感器、CC2430無線收發模塊組成。數據采集節點采用3.6 V電池供電，經過電源管理模塊將電壓轉換為3.3 V給系統供電;溫度傳感器負責采集采空區環境溫度，將采集到的溫度數據通過單總線的形式傳遞給CC2430，采集到的數據經過RF收發器發送到路由節點。數據采集節點的結構框圖如圖2所示。

圖2 數據采集節點框圖Fig 2 Block diagram of data collecting nodes

2.2 Coordinator節點的硬件設計

Coordinator節點同樣以CC2430為核心，電源部分可以采用有線進行供電。另外增加了一個CAN總線收發模塊，實現CAN總線2種通信協議的轉換。Coordinator節點的結構框圖如圖3所示。

圖3 Coordinator節點框圖Fig 3 Block diagram of coordinator nodes

CAN總線收發模由CAN總線控制器MCP2515和CAN總線收發器CTM8251組成。電路如圖4所示。MCP2515與MCU的鏈接是通過業界標準串行外設(SPI)來實現的。CC2430有2個串行通信接口:USART0和 USART1。查CC2430 I/O外設映射表，配置P1口的4，5，6，7引腳為SPI通信口［9，10］。MCP2515 的 SPI相關引腳分別連接到CC2430 P1口的對應引腳上實現數據的傳輸。SPI數據經過MCP2515協議轉換成CAN總線信號，并通過CTM8251對CAN總線數據進行收發控制。CTM8251的主要功能就是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有DC2500V的隔離功能。

2.3 電源管理模塊的硬件設計

終端數據采集節點采用電池供電，路由節點和Coordinator節點采用直流供電。電源模塊可以采用現有井下127 V轉5 V本安型有線直流電源供電和可充電電池供電。由于CC2430工作電壓為3.3 V，為了避免因電池長時間工作而造成的電壓下降，系統采用具有升降壓功能的穩壓芯片TPS63001，其可為系統提供穩定的3.3 V工作電壓。電路如圖4所示。

圖4 電源管理模塊電路Fig 4 Circuit of power management module

3 系統軟件設計

3.1 數據采集節點的軟件設計

數據采集節點的主要任務是進行網絡加入、數據量測以及發送數據。節點上電后，首先進行CC2430硬件初始化和Zig Bee協議棧初始化，完成節點的參數設置、寄存器設置以及工作模式的設置。初始化完成后請求加入網絡，一點加入網絡成功，就進入時間輪詢模式。節點定時查詢有無事件發生，這里的事件主要是對定時器的設置。由于數據采集節點的采用電池供電，考慮到能耗和電池壽命，每隔一定時間啟動定時器，喚醒節點進行溫度數據的采集，并把數據封裝成一定的數據包格式發送出去，當沒有數據進行傳輸的時候設置節點進入低功耗的休眠狀態。流程圖如圖5所示。

圖5 數據采集節點軟件流程圖Fig 5 Programming flow chart of data collecting nodes

3.2 Coordinator節點的軟件設計

Coordinator節點主要負責Zig Bee網絡的建立、允許終端節點加入網絡、進行數據的處理和協議轉換，并將溫度數據傳送到上位機。Coordinator節點上電后經過CC2430硬件初始化和Zig Bee協議棧初始化后，進行信道搜索并建立網絡。當終端節點成功加入網絡后，接收并傳送數據。在數據傳輸時充當無線傳感器網絡與CAN總線的網關，實現通信協議的轉換。另一方面，Coordinator節點接收上位機的控制命令并經數據轉換后將命令傳送給終端數據采集節點。流程圖如圖6所示。

圖6 Coordinator節點軟件流程圖Fig 6 Programming flow chart of coordinator nodes

3.3 溫度傳感器DS18B20的軟件設計

DS18B20的工作電壓為3～5.5 V，溫度測量范圍為－55～125℃。在測溫的過程中有嚴格的通信協議。每次對DS 18B20的溫度轉換一般進行3個步驟:初始化、ROM操作、存儲器操作。

MCU在接收應答脈沖之后，由于在每個MCU上只掛接了1個DS 18B20，因此，跳過ROM檢查，并啟動溫度轉換命令，等待轉換結束后，發送RAM指令，讀出溫度值，并轉換成十進制形式。溫度采集程序流程圖如圖7所示。

圖7 DS18B20工作流程圖Fig 7 Working flow chart of DS18B20

4 實驗測試

將上述方案設計的溫度監測系統與標準水銀溫度計進行溫度對比實驗。水銀溫度計的最小刻度為0.1℃，在0～100℃選取2個節點進行實驗。5月13日，在實驗室環境下從上午9點到下午15點每隔1h記錄一次采集到的溫度值，節點外接LED數碼管顯示溫度傳感器采集的溫度值，設定顯示位數為三位。測試結果如表1所示。

表1 測試溫度數據Tab 1 Test temperature data

5 結論

通過實驗結果看出:該系統可以有效的測量溫度的變化，根據溫度精度要求的不同，可以將溫度精度調整到最高0.0625℃。測量值與標準值間的誤差主要是由于傳感器本身的誤差導致。系統在無線傳輸上穩定可靠，由于溫度測量范圍為－55～125℃，因此，該系統能夠有效地對采空區溫度變化進行監測，并將采空區溫度預警控制在125℃內，杜絕了煤的自燃。

［1］嚴民杰.納林廟煤礦采空區自然發火的綜合防治技術研究［J］.中國礦業，2010(8):95－100.

［2］唐 輝.魏家地高瓦斯綜放采空區自燃預測預報研究［D］.西安:西安科技大學，2010.

［3］于之江，姬戰鎖.采空區自然發火預測的研究［J］.水利采煤與管道運輸，2009(12):13－1.

［4］張嘉怡，劉建文，伍川輝.Zig Bee技術在煤礦安全監測中的應用［J］.中國測試技術，2008(4):122－125.

［5］敖誠博.基于Zig Bee技術的溫度數據采集監測系統的設計［D］.長春:吉林大學，2010.

［6］高守偉，吳燦陽.Zig Bee技術實踐教程－基于CC2430/31的無線傳感器網絡解決方案［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008.

［7］孫利民，李建中，陳 渝，等.無線傳感器網絡［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［8］丁恩杰，孟 祥，李 曉，等.基于無線傳感器網絡的井下液壓支架壓力監測系統設計［J］.煤礦機械，2010(10):139－141.

［9］Chipcon A S，Smart R F.CC2430Preliminary(rev 1.01)［DB/OL］.［2005—09—15］.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf.

［10］馬永強，李靜強，馮立營.基于 Zig Bee技術的射頻芯片CC2430［J］.單片機與嵌入式系統應用，2006(3):45－47.