基于Zigbee 技術的礦井環境信息監測系統設計

龍祖連，王麗磊，幸敏

（廣西水利電力職業技術學院，廣西南寧，530023）

0 引言

煤礦在開采過程中井下的環境錯綜復雜，在礦井里面有很多我們不可預知的環境條件，為了防止礦井安全事故的發生，需要對礦井下面的環境信息進行實時監測，以保證礦井下面的工作環境安全和穩定，才能保證我們的安全生產。隨著物聯網技術的在各個領域的快速發展和應用，更多的設備的介入及無線組網技術用于感知信息采集監測的行業越來越廣泛。當前物聯網無線組網技術主要以藍牙、WiFi 為主，這些技術傳輸距離短、功耗大、不易組網等問題，Zigbee技術作為一種新型的低功耗、遠距離技術，利用其自身的自組網技術，不受外界干擾，安全性高，易組網等特點。本文將通過Zigbee 技術在礦井環境信息監測系統的研究中，利用ZigBee 自組網技術，通過感知層、網絡層及應用層，將我們礦井下面的環境信息傳到我們的控制室或云平臺。該系統的研究解決了礦井里面環境復雜數據采集點分散、組網難等問題，提高我們物聯網技術的應用領域。

1 系統總體方案

本系統利用Zigbee 自組網、低功耗等技術特點組建了礦井黃金信息監測系統，系統整體框架如圖1 所示。系統主要包含感知層（傳感器數據采集部分)、網絡層（組網及網絡傳輸部分)及應用層（上位機及人機交互部分)。

圖1 系統整體框架圖

該系統硬件組成有終端節點數據采集，主要是利用終端節點上的CC2530 單片機對礦井下可燃氣體、溫濕度、一氧化碳含量及煙霧濃度等數據進行數據感知及采集，利用Zigbee 自組網的特點，在礦井下面組建自己的網絡，并將數據以無線的傳輸的方式匯總到協調器，協調器再將我們的數據傳送到網關，最后傳輸到用戶控制中心，實現對礦井內數據的實時監測。井下節點組網結構圖，如圖2 所示。

圖2 井下節點組網結構圖

2 系統架構

基于Zigbee 技術礦井環境信息監測系統構架由三部分構成，一是系統感知層，用于傳感器對礦井環境信息監測及獲取；二是系統網絡層，用礦井里面傳感器數據之間傳遞；三是系統應用層，對礦井環境數據的匯總顯示、執行操作。

■2.1 系統感知層

在我們設計的礦井環境信息監測系統中，感知層我們主要以傳感器技術為主，用于對礦井復雜的環境信息的數據采集。通過我們對礦井環境信息的了解及現場調研，我們知道在礦井里面影響安全生產的主要因素有：滲水、缺氧、瓦斯爆炸等，針對這些因素我們結合實際情況采用溫濕度、CO濃度、煙霧傳感器等作為我們設計系統的感知層，用于礦井環境數據的實時采集，感知層節點框圖如圖3 所示。

圖3 感知層節點框圖

■2.2 系統網絡層

物聯網的網絡傳輸方式有很多，比如WiFi、藍牙、Zigbee、NB-IOT 等，我們通過對礦井環境信息的復雜性、特殊性等，對物聯網的這些傳輸方式進行對比試驗，得出在我們設計的系統中Zigbee 無線傳輸方式是最適合我們的使用。Zigbee 無線傳輸具有自組網、低成本、低功耗、可靠及安全等特點。所謂的自組網技術就是在不需要外部網絡的情況下，在礦井下面就可以組建Zigbee 無線網絡傳輸系統；Zigbee 組網技術根據組網類型的不同提供了三種，分別是星形、樹形和網狀。根據礦井環境信息監測系統的設計，選擇的是樹型網絡拓撲圖的組網類型，具體的拓撲結構如圖4 所示。

圖4

樹型網絡由一個頂端協調器，下面有終端節點和路由節點，消息先往上傳再往下傳，整個網絡是由協調器建立的，協調器的子節點可以是路由或終端節點。

■2.3 系統應用層

根據系統設計的要求，我們設計的系統應用層主要是人機交互這方面的內容，將傳感器從礦井下采集到的環境信息，經過Zigbee 組網技術傳輸到我們的控制室，實現實時數據監測及預警，保障我們礦井的作業人員的生命安全。

3 系統硬件設計

■3.1 信息采集節點硬件設計

礦井信息采集節點主要由CC2530 微處理器、傳感器采集電路等構成，如圖5 所示。CC2530 主控芯片具有低功耗、低延時等特點，負責周期性地將傳感器采集的數據上報到Zigbee 模塊中。傳感器部分參數表如表1 所示。

表1 傳感器模塊參數表

圖5 節點采集電路框圖

■3.2 zigbee 模塊硬件設計

Zigbee 模塊電路時基于CC2530 芯片來進行設計，CC2530 是TI 公司推出的一款芯片，里面包含了51 單片機的內核與Zigbee 技術，而且TI 提供了很好的Zigbee 協議棧以及解決方案。根據用戶的使用環境需求，可以將一個Zigbee 模塊設置為終端節點、路由器及協調器三種模式，再選擇組網的類型。在本礦井環境監測系統中，選擇的是樹形組網類型。Zigbee 模塊硬件電路圖如圖6 所示。

圖6 Zigbee 模塊硬件電路

CC2530 單片機相對于51 單片機來說，沒有那么多IO口可以使用，但CC2530 單片機內部有著豐富資源，自帶ADC 轉換、PWM 波輸出、兩路串口通信等，通過寄存器配置，可以把普通的IO 配置成外設功能使用，為我們的設計提供了許多便捷，IO 口具體外設功能映射如表2 所示。

表2 CC2530 IO口外設功能映射表

根據我們使用傳感器的特性及引腳定義連接，我們設計的傳感器模塊與Zigbee 模塊硬件接口連接電路圖如圖7 所示。

圖7 傳感器與硬件接口圖

礦井環境信息監測系統硬件主要是由Zigbee 模塊來完成數據采集、組網、傳輸及控制。在編寫代碼時，我們只要時通道號、地址設置相同，在下載代碼時在編程環境里選擇對應的協調器、終端、路由選項下載到對應的Zigbee 模塊就可以，最后協調器就通過串口把數據傳輸到控制中心的軟件，進行顯示。

4 分析與結論

為了驗證我們設計的礦井環境信息監測系統的傳感器數據采集信息、組網的及數據傳輸的可靠性、有效性等指標，我們在實驗室放置不同的終端節點，對數據進行采集，通過放置路由節點來增加傳輸距離，在用戶控制中心使用協調器匯總組網傳輸的數據，經過網絡通信傳輸到我們的用戶控制中心，下圖是我們用戶中心接到數據的界面，如圖8 所示。用戶可以根據應用環境的不同，設置對應的報警參數值，以保證作業人員的人身安全。

圖8 用戶控制中心界面

為了保障礦井下作業人員在井下復雜環境作業生命安全，我們提出并設計了基于Zigbee 礦井環境信息監測系統，此系統低功耗、自組網等功能解決了環境信息采集及數據傳輸的線路布線、沒有手機信號不能傳輸數據等問題；礦井下作業空間小，環境復雜，我們的Zigbee 礦井環境信息監測系統使用Zigbee 自組網無線通信技術，通過測試結果顯示，完全解決了整個礦井的環境監測區域，達到設計要求，保障作業人員的作業環境安全。