基于ZigBee的煤礦監控系統設計與實現

劉 兵 陳 衡

（淮北職業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環境中易燃、易爆、電磁環境和地質環境相當復雜等情況，使得井下安全穩定的生產顯得尤其重要。因此，對井下環境及人員的實時監測就加必不可少，本文采用ZigBee 技術構建無線傳感網絡實現數據的無線傳輸，具有功率消耗小、維護方便和數據傳輸穩定等優點，能夠提高煤礦安全生產和災前防治的效率。

1 系統設計方案

基于ZigBee 的煤礦監控系統主要包括ZigBee 傳感網絡、本地監控終端、遠程監控終端以及嵌入式網關4 部分，具體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

無線傳感網絡系統主要包括協調器節點、路由節點和終端節點。其中協調器節點負責整個無線傳感網絡的初始化與組網，并且路由節點和終端節點會主動搜尋該網絡并加入網絡。協調器節點分為主協調器節點和移動協調器節點，其中移動協調器節點通過串口與手持終端進行連接，實時監測井下環境的數據和用戶的具體位置信息。

其中ZigBee 網絡協調器與ARM 嵌入式平臺組成嵌入式網關，主要負責本地的監控主站和遠程Internet 監控站與ZigBee 傳感器網絡之間的數據傳輸。

遠程Internet 監控站是用戶通過Internet 網絡訪問Web Server 服務器的相關網頁，從而實現用戶遠程對井下環境進行監控和人員定位。

2 系統硬件設計

本文所設計的系統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 內核的STM32F401微處理器。STM32F401 與CC2530 構成嵌入式網關，該網關可將數據實時傳輸到上位機，并可通過ZigBee 無線傳感網絡與各下級節點進行實時通信，并且通過LAN 總線將其接入局域網。

2.2 無線射頻模塊

無線射頻模塊由TI 公司的CC2530 作為系統的主控制器，可實現定位功能，根據接受的信號強度與其最近節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 內部集成8051 內核和RF 收發模塊，只要在其外圍添加很少的元器件即可完成數據的接收和發送。

2.3 傳感器模塊

本系統主要集成了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 內部集成的A/D 模塊實現數據的轉換和處理。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計部分主要包括上位機監控軟件設計、遠程Internet 監控終端的軟件設計、ZigBee 協議棧Z-Stack 設計和終端節點程序設計等4 部分。

3.1 上位機監控軟件設計

上位機監控軟件功能是要實現對整個系統的可視化監測和控制。考慮到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的上位機開發界面。

3.2 遠程Internet 監控終端的軟件設計

本系統采用三星公司的S3C6410 作為嵌入式開發平臺的主控制器，開發基于Linux 操作系統的具有遠程訪問功能的網關。其中Web服務器采用ASP 技術開發具有動態服務功能的網頁程序，以便用戶通過Intenet 實現對煤礦井下環境和人員的實時監控。

3.3 ZigBee 協議棧Z-Stack 設計

ZigBee 協議棧Z-Stack 設計主要包括協調器節點的程序設計和終端節點的程序設計。其中，協調器節點主要負責整個無線傳感網絡的組網和網絡的維護，同時在組網結束后還需要實現與上位機通信和與終端節點進行實時數據傳輸；而終端節點主要完成人員的實時定位和煤礦井下環境參數的實時采集。

4 實驗測試

為測試整個系統的實際應用性能，將設計的系統應用到某礦的實際工作面，在該采取安裝15 個ZigBee 終端節點設備，5 個路由節點設備，分別分布在采區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 終端節點發射模塊，在巷道的不同位置間行走。經過實際應用與測試，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測數據傳輸到監控主站。

5 結論

本文將ZigBee 技術與嵌入式技術相結合，設計基于ZigBee 技術的煤礦監控系統，并通過實際應用驗證該系統的有效性和穩定性。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境進行監測。實際應用表明，該系統在煤礦井下定位和環境監測方面將具有很好的應用前景。

［1］葛巍.基于ZigBee 和礦井安全監測及定位系統的研究與設計[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 的煤礦安全監測及定位系統設計[J]，煤炭技術.2014(4).