基于ZigBee的煤礦監控系統的設計

山東科技大學信息與電氣工程學院 高正中 李志文 王曉慧 梅守濱

1.引言

現有的煤礦安全監控系統存在很多問題：(1)監控節點位置相對固定，存在測量盲區；(2)采用有線網絡，布局不便，成本較高且不易擴展；(3)定位缺陷，主要采用GPS定位技術，其功耗大、成本高且抗干擾能力不強；(4)接口兼容性差，通信協議不完善。所以，有線定位網絡難于達到動態全方位監控的目的[1]。

2.系統結構與工作原理

針對以上煤礦安全監控系統存在的問題，本文提出了一種基于ZigBee的井下人員定位和瓦斯監測系統。該監控系統包括移動節點、數據采集節點、井下數據采集總站和上位機。系統結構圖如圖1所示。

每個移動節點都有唯一的ID，礦工隨身攜帶便攜式移動節點在巷道里活動，移動節點每隔一定時間將ID信息發送給附近的數據采集節點。數據采集節點固定在巷道里的相應位置，定時將接收到的ID信息和傳感器檢測的瓦斯濃度數據發送給井下數據采集總站。數據采集總站將接收的數據通過光纖傳送至井上監控室的上位機。實現礦工人員的時時定位和瓦斯濃度的時時檢測。

3.硬件電路設計

由于井下巷道縱橫交錯，環境復雜，有時巷道長達數公里，這給井下各個數據采集節點發送信息帶來了很大的困難。所以，本系統各個數據采集節點之間和數據采集節點與數據采集總站之間的信息傳輸采用無線網絡ZigBee技術。而CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的真正的片上系統。其結合了德州儀器RF業界領先的黃金單元ZigBee協議棧，業界標準的增強型8051 CPU，系統可編程閃存，8KB RAM和許多其他優良性能。能以較低的成本建立強大的網絡節點[2]。

3.1 移動節點電路設計

移動節點即為井下礦工的身份標簽，由于井下人員監測無需精確定位，只需確定其大致范圍，所以采用通訊距離為10米左右的新型低功耗射頻無線收發模塊NRF24L01。該模塊工作于2.4GHz-2.5GHz ISM頻段，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調節器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。

3.2 數據采集節點電路設計

根據巷道的結構不同，每隔一定距離(不可超過CC2530的通訊距離，一般不超過400米)將數據采集節點固定在巷道墻壁上。數據采集節點采用CC2530、NRF24L01和瓦斯紅外氣體檢測傳感器MH-440V/D構成的模塊。硬件電路圖如圖2所示。

由圖2可知，數據采集節點模塊的NRF24L01與移動節點中的NRF24L01相互通信，獲得礦工的人數、身份等信息，傳感器MH-440V/D檢測此數據采集節點附近的的瓦斯濃度。通過串口將礦工人員信息和瓦斯濃度等數據傳送給集成芯片CC2530。CC2530可以通過編程設置其ID，利用自身集成的ZigBee協議，將井下的各個數據采集節點組網，把采集到的信息傳送至數據采集總站。

圖2 數據采集節點硬件電路圖

3.3 數據采集總站電路設計

數據采集總站位于井下，采用CC2530無線模塊，接收巷道內各個數據采集節點發送來的數據，利用光電轉換器將電信號轉化為光信號，通過光纖將采集的數據傳送到井上監控室。硬件電路圖如圖3所示。

4.軟件設計

ZigBee網絡由一個協調器、多個路由器和多個終端設備組成。適當地增加各級路由器的數量能夠增加整個網絡的數據傳輸距離和傳輸質量。此外路由能夠自愈ZigBee網絡，如果某個無線連接斷開，路由器能自動尋找一條新的路徑避開斷開的網絡連接，這極大提高了網絡的可靠性。請見參考文獻[3]。圖1中數據采集節點1即為一級路由器，可以根據各個礦井結構設置不同的ZigBee網絡結構，達到最佳的性價比。

本系統借助Keil c51對NRF24LE1進行編程，將礦工身份信息寫入移動節點內的NRF24LE1芯片，使各個移動節點具有唯一的ID信息。

借助IAR EW8051軟件開發平臺對CC2530進行編程。目前CC2530中的ZigBee協議的底層驅動已十分成熟，可直接引用驅動代碼對系統參數進行設置[4]。數據采集節點的軟件流程圖如圖4所示。

圖3 數據采集總站硬件電路圖

圖4 數據采集節點軟件流程圖

5.結語

本文介紹了一種基于ZigBee的煤礦檢測系統，該系統抗干擾能力強，性能穩定。實現了礦工人員時時定位和瓦斯濃度的時時檢測。

[1]王雪莉,盧才武,顧清華,等.無線定位技術及其在地下礦山中的應用[J].金屬礦山,2009(4).

[2]石家駿,鐘俊,易平.基于ZigBee的無線抄表系統網關的設計與實現[J].計算機工程與設計,2011(3):875-878.

[3]高守瑋,吳燦陽,楊超,等.ZigBee技術實踐教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[4]李文仲,段朝玉.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京:高等教育出版社,2008:41-46.