采空區溫度監測Zigbee 無線自組網技術研究

馮文健

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616）

0 引言

就目前來看，煤炭仍然是我國的主要一次能源，隨著綜采設備的逐漸完善，綜采面采高高度也逐漸加高，這就造成了煤矸石易掉落，增加了浮煤的含量，易產生自燃[1-3]。另外現在挖掘的深度越來越深，深度越深綜采面的內部壓力越大，溫度也就越難以控制。所以采空區遺煤、浮煤的自燃問題是困擾煤炭安全開采的重大難題[4-5]。對采空區任何隱藏點溫度的監測是解決煤自燃的最重要手段之一，只有準確及時監測溫度才會有效抑制遺煤、浮煤由自熱向自燃的轉變，根本保證采空區的安全[6-8]。

目前井下測溫系統多是由有線系統組成，其施工難度大、靈活性低，很難將所有的采掘點都覆蓋到[9]。本文提出的無線自組網傳感器系統是一種低功耗、易安裝、抗毀性能強的系統，特別適合與安裝地點隨意改動、不易施工的場所。

1 采空區測溫自組網系統設計方案

如圖1 所示，本文的設計方案采用理論與實際相結合的思路，加入無線傳感器信息采集和傳輸技術，對組網的協議、安全、數據管理和嵌入式系統進行深入探討，在調查井下采空區實際運行環境的基礎上搭建模擬平臺研究遺煤、浮煤、巖石堆積對無線模塊之間通信的影響確定最佳的無線傳輸頻率和天線構造[10-11]。

圖1 方案框圖

2 Zigbee 測溫終端及網關硬件設計

每一個測溫終端都肩負著將固定位置的溫度信息每隔一段時間發送到本區域網管的任務，終端內部電路圖如圖2 所示，CC2530 是一種超低功耗、高集成度OEM 模塊，集成了MCU、RF 電路、存儲器、Zigbee 協議，大大降低了開發的難度。內部的射頻芯片為AT86F212，這種專門為Zigbee 設計的芯片其功耗非常低。MCU 為CC2530，該芯片是屬于超低功耗8位CMOS 處理器。Zigbee 模塊與數字式溫度傳感器TMP112 使用SPI 接口時實進行通信，將獲取的溫度值存儲在內部的EEROOM 中，每隔一段時間將這一段時間采集到的溫度值的平均值上送給網關。模塊自帶本安電路和ESD 防靜電電路，達到IEEE802.15.4 標準，具有很強的EMC 標準和本安特性。

圖2 終端內部電路圖

網關的設計與終端類似，只不過只是將固定區域內的終端信息匯總然后分包發送給綜合監控平臺。

3 溫度數據傳輸地址分配算法

網關負責將自己區域內的任意一個終端分配唯一的地址，其中有一些特殊的網關規定其余網關所擁有的最大子節點數目，也就是最大的終端數，這種特殊的一類網關類似于路由節點，而其余的網關稱之為父節點，每一個父節點下的終端數目稱之為子節點。

在一個組網的Zigbee 網絡中，網絡節點數目總會有其最大的容量值，稱之為網絡深度，子節點地址的分配由父節點按照如下公式分配：

d為節點m到路由節點的相對深度；Cskip（d）為節點m所擁有的子節點數目；Cm為被節點m所控制的節點數目；Rm為用作路由功能的節點數目；Lm為最大的網絡容量，也稱之為網絡深度。

顯然當Cskip（d）為0 時，這個節點為末端節點也就是子節點，無法也沒有必要將其他的節點介入這個節點之中，這個節點不具有再分配地址的能力。當Cskip（d）大于0 時，這個節點就為父節點，可以將其他的設備接入到網絡中，具備拓展網絡的能力。網絡中路由節點n的地址按下式計算：

其中：An為路由節點n的地址；Aparen為節點n父節點的地址；子節點l地址按下式計算：

其中：Al為路由節點l的地址；Aparent為節點l 父節點的地址。

按照式（1）～（3）分配地址，部分設備地址分配圖如圖3 所示。

圖3 地址分配示意圖

4 溫度數據采集、上傳流程

4.1 終端采集溫度工作流程

終端子節點負責將最底層的溫度數據采集并上傳，終端上電后首先進行硬件外設等初始化，而后Zigbee 芯片CC2530 初始化Zigbee 協議，發送主動請求加入Zigbee 網絡報文，路由節點分配給這個終端唯一的地址。終端在平時狀態處于低功耗休眠狀態，定時喚醒進行溫度采集并上傳給父節點，利用中斷隨時接收父節點的命令和其他操作，工作流程如圖4所示。總之終端處于超低功耗運行狀態，這樣做的目的是因為終端無外接電源，只能電池供電為了節能增強續航時間同時這也是為了達到采空區監測設備的設計要求。

圖4 終端子節點工作流程

4.2 路由節點工作流程

路由節點提供外置電源供電，隨時處于工作狀態，因為它承擔著網絡的搭建、新節點的加入、老節點的刪除還有將終端節點上傳數據進行匯總和上傳給后臺上位機。其主要工作流程如圖5 所示。

圖5 路由節點工作流程

5 預測結果及分析

首先對網絡節點的建立做測試，溫度數據在傳輸首先是各個節點的加入，每一個節點加入時都會主動向路由節點申請一個地址然后路由節點根據前文所述的路由算法給予分配節點然后發送應答報文給這個新加入的節點，節點收到應答報文后開始注冊本節點信息，注冊成功后節點加入到網絡中。節點加入過程如圖6 所示。

圖6 新節點加入網絡過程

對于Zigbee 模塊在井下的應用，由于其工作環境非常惡劣所以要求必須保證在100 m 的距離之內其丟包率在3%以下才能確保裝置的實用價值。選擇實驗地點為中煤平朔集團四號井工礦采空區巷道，其實驗結果如表1 所示。

表1 的發送功率為0 dB 接受功率靈敏度為-90 dB，這樣可以最大程度上降低功耗，測試結果丟包率都在2%以下滿足丟包率3%以下的實用要求。當然在實際的采空區中這些節點應該說大部分都是被掩埋的而且采空區的巷道一般都不是直線型巷道，這就要求節點的穿透及繞行能力必須達到實際應用要求，所以選取五個實驗節點，這五個節點的ID 為46、53、147、234、304，將以上節點掩埋進行實驗，掩埋深度為3 m，五個節點之間相距距離都在60 m 左右，穩定測試時間為30 天，溫濕度環境都基本維持一致，傳輸頻率為兩小時采集一次溫度，其實驗結果如表2所示。

表1 丟包率測試

表2 穿透及繞行能力測試

通過表數據發現，距離較遠又沒有中間節點過渡時通信距離受限制，如果兩個節點之間相距較遠但是中間有工作的父節點完全可以保證通信的可靠性，說明在實際施工過程中需要給系統一定的冗余度這樣系統工作會更加穩定可靠。

6 結語

本文提出一種采空區溫度監測Zigbee 自組網技術，闡述了硬件及軟件的構成方式，利用改進的路由算法對Zigbee 網絡個節點進行地址自動分配，再加上簡單可靠的硬件結構，超低功耗器件的使用，對于井下采空區溫度的實時監測可以提升一個檔次。實驗結果表明本文構建的系統其傳輸距離遠，通信穩定性可靠，系統適度的冗余度能夠大大提高監測的可靠性，為井下采空區溫度監測做出了卓越貢獻。