基于ZigBee技术的矿井安全监控系统

雷 霖,杨伟强

(1.成都大学电子信息工程学院,四川成都 610106;2.电子科技大学自动化工程学院,四川成都 611731)

0 引 言

目前,国内许多煤矿使用的安全监测系统的信号传输主要采用有线方式,使得系统移动性差,在一些复杂的矿道内布线困难,要实现大范围的实时监测比较困难.另外,传输线路一旦损坏,将导致监测区域失去监测能力[1,2].

煤矿灾难的发生以及抢险救灾的难度暴露出我国目前矿井监控管理系统的弊端:地面管理人员与井下工作人员的信息沟通不及时,难以实时掌握井下人员的动态分布以及作业情况,更难以对井下人员进行精确定位.若能及时、准确地掌握井下人员的具体分布位置,以及井下的环境参数值,一旦井下发生事故或险情,可根据当时情况采取及时的救援工作,可以节省大量的时间,极大地减少井下人员伤亡[3,4].基于此,本文提出一种基于ZigBee技术的矿井安全监控系统,避免了采用有线通信方式时系统难以到达的区域而不能实时监控,实现了对井下环境全方位的实时监测,可预测可能发生的事故和险情,并能及时地报警和提示井下人员进行撤离和排险工作.

1 ZigBee简介

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,它以 IEEE 802.15.4协议为基础,使用免费的频段进行通信. ZigBee协议由IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上网络层和应用支持层组成.与其他的无线通信技术[5](如UWB、BlueT ooth、Wi-Fi等)相比,ZigBee技术的特点是成本低、功耗小、协议简单、网络容量大、组网容易等.这些特点使ZigBee技术非常适合应用于煤矿安全监测和人员定位系统中.

2 系统总体方案设计

我们提出的基于ZigBee技术的矿井安全监控系统的总体方案设计主要由井下数据采集子系统和井上监控子系统两部分组成,井上子系统与井下子系统通过CAN总线通信[6],系统的总体结构如图1所示.

图1 系统总体结构示意图

井下数据采集子系统是整个系统的核心,子系统采用ZigBee无线网络技术,其主要由井下人员携带的终端移动节点、ZigBee路由器以及ZigBee协调器等组成.ZigBee协调器固定安装在井下巷道的出入口并与CAN总线相连,其功能是配置网络成员地址并管理网络中其他节点以及收集网络节点信息,并通过CAN总线将收集到的数据包传送到地面监控中心.ZigBee路由器固定安装在巷道中以及巷道的分岔口、危险场合(如盲巷)等关键部位,其功能是接收终端移动节点发来的数据,包括ID号、RSSI值等信息,并通过最优路径传递到协调器.井下人员携带的终端移动节点主要采集周围环境参数信息并周期性地向外发送数据.

井上监控子系统对井下各个监测点的工作状态以及传输的数据进行采集、分析、检测、存储,记录井下人员经过的地点、时间等实时信息,并将其做进一步处理后形成各种文件和图表.一旦出现紧急或异常情况,井上监控子系统可以通过CAN总线把报警信号发送到某一个或者几个路由检测节点,路由检测节点再通过无线传输方式把信号发送给终端移动节点,从而实现矿井的安全生产、人员的科学管理.

2.1 硬件设计

系统的终端移动节点和路由器节点主要由传感器模块、ZigBee模块、电源模块和电源管理模块4部分组成[7].传感器模块负责采集井下的相关信息; ZigBee模块将接收到的数据信号进行模数转换,数字信号经处理器计算处理后得到各个传感器测到的实际值,再通过ZigBee网络发送出去;电源模块主要用于给传感器模块、ZigBee模块和电源管理模块供电;电源管理模块负责为系统的硬件提供各种不同的电压,使电路正常工作.

系统的协调器节点主要由ZigBee模块和CAN总线通信转换器组成,它是ZigBee网络的控制中心.协调器通过选择网络的个域网识别标志(PANID)和工作信道来启动一个ZigBee网络.网络启动后,路由器和终端节点就能加入网络.

2.1.1 电源模块.

电源模块是终端节点的能源供给部分,它决定着传感器网络的寿命,由于井下特殊的环境,故对井下人员携带的电池要求比较高,既要体积小、重量轻,又要安全无毒.本系统对可用于矿井下的电池进行了分析、筛选,最后选择可以充电的锂离子电池作为终端移动节点的供电电源.经实际测试,该电池完全能够满足终端移动节点的需要.

2.1.2 电源管理模块.

单节锂电池的正常工作电压为3.7 V,充电达到饱和时为4.2 V,放完电时电压为2.3 V,电池电压变化范围很大,而ZigBee模块的典型工作电压为3.3 V,最大输入电压为3.9 V,若直接与锂电池连接会烧毁芯片.因此,本系统采用低压差线性稳压器(low dropout regulator,LDO)把锂电池输出电压降至稳定的3.3 V.同时,为了能更好地利用锂电池的电量,提高电池的使用效率,本模块采用TI公司生产的一款超低静态电流的LDO线性稳压器TPS76633D,其输出输入电压差典型值为230 mV,能提供3.3 V的输出电压和250 mA的输出电流,且误差在3%以内,此外,该电源稳压器还可以设置睡眠模式.

2.1.3 传感器模块.

(1)瓦斯传感器.瓦斯传感器采用北京东方吉华科技有限公司生产的KGS-20低功耗瓦斯传感器,该传感器以二氧化锡为基本敏感材料,是一款专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器,具有极高的灵敏度、极快的响应速度及较低的功耗. KGS-20型传感器可用于对瓦斯等可燃气浓度的检测[8].传感器耗电量少,体积小,应用电路简单,报警浓度为甲烷≥1%,工作温度范围-15℃～+50℃,响应时间≤20 s,湿度≤97%RH.传感器工作时,一旦瓦斯的浓度发生变化,传感器内部的电阻值将发生改变,进而导致负载电阻RL上的电压变化.该电压与瓦斯浓度成正比,通过测量此电压可以达到测量瓦斯气体浓度的目的.瓦斯传感器检测电路如图2所示.

图2 瓦斯传感器检测电路

(2)温湿度传感器.温湿度传感器采用盛世瑞恩传感器公司推出的一款数字温湿度传感器芯片SHT11,该芯片广泛应用于汽车、空调、消费电子、自动控制等领域[9].芯片的主要特点是集成度高,其将湿度感测、温度感测、A/D转换、信号变换和加热器等功能集成到一个芯片上,并提供二线数字串行接口,DATA和SCK,应用接口简单.同时,支持CRC传输校验,传输可靠性高,测量精确度高,测量和通信结束后,可自动转入低功耗模式.温湿度传感器检测电路如图3所示.

图3 温湿度传感器检测电路

2.2 软件设计

系统的软件设计包括ZigBee节点的软件设计和上位机监控中心的软件设计.

2.2.1 ZigBee节点软件设计.

在ZigBee节点的软件设计上,我们移植了美国密西西比州立大学Reese教授开发的ZigBee精简版协议栈——MSSTATE LRWPAN[10],所采用的开发环境为IAR Embedded Workbench for 8051 7.60,在编译器IAR中进行编译、在线调试和程序下载等.

系统的终端移动节点、路由器节点和协调器节点都需要加载精简版协议栈,并在应用层编写所要实现的功能.它们的软件架构是一样的,主要涉及应用程序及ZigBee协议栈的交互,不同的是一些配置信息和子程序.

2.2.2 监控中心软件设计.

在井下现场环境数据采集与监控装置实现了数据采集和数据发送功能后,还需要井上监控中心接收、显示并存储才能实现整个数据采集与监控功能[11,12].系统上位机监控中心的软件设计采用VC+ +6.0编写,主要实现以下功能:显示监测的数据;数据超标时发出报警提示;实时曲线显示;历史数据查询.井上监控系统的结构框图如图4所示.本系统在实现既定功能的基础上,做到了界面友好、图形化人机交互和易于操作等技术要求.

图4 井上监控系统结构框图

3 结 语

无线传感器网络是当今信息领域的研究热点.将无线传感网络应用到矿井安全监控系统中,可有效解决传统监控系统存在的技术缺陷.本系统组网简单,成本低廉,维护方便,能够满足矿井的安全监测需求,实现了矿井的智能化生产监控,增强了矿井应急预警及救援功能,完善了矿井安全监控体系.

[1]Yang W,Huang Y.Wireless Sensor Network Based Coal Mine Wireless and Integrated Security Monitoring Information System [C]//Proceedings of the Sixth International Conference on Networking.France,Martinique:IEEE Press,2007.

[2]Niu X G,Huang X.The Design and Evaluation of a Wireless Sensor Network for Mine Safety Monitoring[C]//Global Telecommunications Conference,2007.Washington:IEEE Press,2007: 1291-1295.

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