Zigbee無線傳感網絡在煤礦瓦斯監測系統的設計實現

孫婷婷

（1．合肥工業大學，安徽 合肥 230009；2．淮北職業技術學院，安徽 淮北 235000）

0 引言

隨著經濟額發展，現代化建設步伐的加快，能源的需求量加大，對煤炭的開采量也日益增大。煤礦事故頻發，國家對煤礦的安全生產提出了更高的要求。相應地，煤礦安全監控技術也在不斷改進?；幢爆F有的多處煤礦采用了數字化的煤礦信息技術，對井下瓦斯氣體的監控都采用有線的方式。但由于井下的地形復雜，存在狹窄和異形的巷道，鋪設有線線路非常困難。井下環境常年潮濕，線路容易腐蝕，維護工作繁重。采煤面隨開采的進程不斷變化，采煤面是工作人員密集的地方，更需要準確的瓦斯數據保證工作環境的安全，對于瓦斯濃度的實時監測有線的方式很難實現。將無線傳感網絡應用到井下瓦斯監控中去的構想正解決了這一難題。

1 無線傳感網絡及zigbee技術

無線傳感網絡是傳感器技術、嵌入式技術、通信技術、網絡技術等飛速發展孕育出的產物［1］。無線傳感網絡一般通過在監測的范圍內隨機投放一些傳感器的方式，利用無線電波將它們連接起來，各個傳感器形成一個自組織、多跳的無線網絡。無線傳感網絡一般由傳感器節點、匯聚節點、任務管理節點構成，典型結構如圖1所示。在需要監測的區域分布傳感器用于采集各類數據信息。比如濕度、溫度、壓力、濃度、噪聲，等等。

Zigbee技術作為一種新興的短距離無線雙向通信技術，因為其成本低、損耗小、時延短、安全性高、靈活性好等特點，而受到關注并得到廣泛應用。本論文討論的就是基于zigbee技術的無線傳感網絡在井下瓦斯監控系統的應用方案。

2 系統整體架構設計

根據礦井地形復雜多變的實地考察以及相關技術分析。設想井下采用無線傳感網絡監測進行瓦斯濃度數據的實時采集和傳輸。但無線電波會受到井下多種因素的干擾，無線傳感網絡以多跳的形式通信，網絡穩定性不高。綜上，本論文提出井下瓦斯濃度的整體監控采用無線傳感網絡和有線網絡相結合的方案。監測系統總體設計模型如圖2所示。

圖1 傳感網絡體系結構

圖2 無線、有線網絡結合的綜合監測系統模型圖

3 系統硬件設計

3．1 傳感器節點設計

傳感器節點作為無線傳感網絡的核心，由傳感器模塊、通信模塊、控制處理模塊、能量存儲模塊等四大模塊組成［2］。其節點結構如圖3所示。

圖3 傳感器節點結構

瓦斯監測系統中節點的處理器均選用適用于zigbee技術的TI公司生產的CC2430芯片。該芯片工作在免費的2．4GHz全球通用頻段上，其內部集成了加強的8051處理器、128Flash內存、8KbRAM和RF射頻前端，在收發數據的同時進行簡單的數據處理。傳感器采用電池供電的方式，數據的采集傳輸盡可能降低能耗，CC2430芯片低耗能的優點正滿足傳感器節點的要求。

3．2 傳感器選型

目前，瓦斯氣體監測使用的傳感器種類很多。大致分為：紅外瓦斯傳感器、熱催化瓦斯傳感器、光纖瓦斯傳感器等等。為了保證采集瓦斯數據的準確性，我們選擇依據熱催化原理制成的瓦斯傳感器。這類傳感器主要工作在3．0V電壓下，監測瓦斯的敏感元件是電阻絲［3］。當傳感器通電后表面產生熱量，遇瓦斯氣體產生熱催化反應，阻值變大造成電橋電路失衡輸出電壓，瓦斯濃度增高電壓隨之增加。由此將瓦斯濃度轉變為相應的電信號，放大后的電信號經A／D轉換器變成數字信號發送出去經無線網絡傳輸。具體傳感器結構如圖4。

圖4 瓦斯傳感器結構設計圖

4 系統軟件設計

基于zigbee技術的無線傳感瓦斯監測系統中的節點大致分為終端節點、路由節點和匯聚節點三種類型。無線傳感網絡以數據為核心，主要依靠節點進行數據的采集、傳輸、分析和處理的工作。因此節點的軟件設計是系統整體軟件設計的核心，決定著監測系統整體性能的好壞［4］。根據節點的功能，三類節點的流程圖設計如圖5。

終端節點主要負責采集井下的瓦斯的濃度，并將數據進行簡單的處理；路由節點充當網絡中路由器的作用。主要完成路由選擇和消息轉發等工作；匯聚節點整合各節點傳輸給它的數據，并與井下大巷道的有線以太網相連，進而連接地面上的監測系統。無線傳感網絡是動態的，一些毀壞的傳感器節點可以自行退出網絡，新添加的傳感器節點可以自行加入網絡［5］。在井下無線傳感網絡所覆蓋的范圍內，各節點可自行出入網絡，因此需要設計動態的管理方案，確保無線傳感網絡的自發重組。動態網絡設計方案如圖6。

圖5 節點流程圖

圖6 動態網絡管理流程圖

5 總結

本論文在討論了無線傳感網絡技術和Zigbee技術的基礎上，分析現有的有線瓦斯監測方法的不足，提出了一種基于Zigbee技術的無線傳感網絡和有線以太網相結合的設計方案。該方案能實現井下瓦斯數據的實時監測，對于煤礦安全生產有著重要的意義。在未來無線傳感網絡發展的基礎上，對于井下瓦斯監測系統的設計將更為完善．

［1］郭雅萌，王建新，楊世鳳，等．網絡監控的實時性研究［J］．國外電子測量技術，2006（1）．

［2］李繼林．煤炭安全監控系統的現狀與發展趨勢［J］．煤炭技術，2008，22（11）．

［3］瞿雷，劉盛德，胡咸斌．Zigbee技術及應用［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2007．

［4］王玉芬，王治斌，李長江．無線傳感器網絡在煤礦瓦斯監測系統中的應用［J］．煤炭科學技術，2007（6）．

［5］陳旭，方康玲，李曉卉．基于 CC2430的ZigBee數據集系統設計［J］．湖南工業大學學報，2008，22（6）．