基于Zig Bee的采空区无线温度监测系统

安 璐，丁恩杰，李曙俏

(中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心信息与电气工程学院，江苏徐州221008)

0 引言

采空区可分为散热带、氧化带和窒息带。其中由于氧气浓度高，漏风强度较小，最容易发生浮煤自燃的是氧化带［1］。煤的自燃主要是由于煤和氧气接触时发生的煤氧复合，即物理吸附、化学吸附和化学反应放出热量，当放出的热量大于散发出的热量时，煤温上升导致煤产生自燃。

采空区煤的自燃是一个复杂的物理化学过程，影响因素复杂，但概括起来可以归纳为如下几个方面:1)具有一定厚度的浮煤;2)有充分含氧量的气流持续的经过浮煤区;3)浮煤区有积蓄氧化热量的环境［2，3］。

在煤的自热过程中，温度的变化直接反映了煤的自热程度，因此，在采空区中可能发生煤的自燃的氧化带中布设温度传感器，定时监测采空区遗留浮煤的温度是研究采空区中煤温变化，分析、预报煤炭自燃直接而有效的途径之一。本文针对现有井下有线数据采集系统的不足，将基于Zig Bee技术的无线传感器网络引入井下，对采空区温度进行实时监控，具有一定的实用意义和现实意义［4，5］。

1 系统总体架构

整个系统主要由终端节点、路由节点和Coordinator节点组成［6，7］。终端节数据采集节点主要负责通过温度传感器测量采空区温度，并将采集得到的数据以无线的方式传递到路由节点上;路由节点通过多跳的方式将这些数据传至Coordinator节点，同时路由节点也负责将Coordinator节点收到的上位机控制命令传递到终端节点;Coordinator节点负责将采集到的所有网络数据进行处理，并通过CAN总线将数据传送到井上上位机上，以供地面监控［8］。系统总体网络结构如图1所示。

图1 系统总体网络结构Fig 1 Overall network structure of the system

2 系统硬件设计

2.1 数据采集节点的硬件设计

数据采集节点主要由电源管理模块、温度传感器、CC2430无线收发模块组成。数据采集节点采用3.6 V电池供电，经过电源管理模块将电压转换为3.3 V给系统供电;温度传感器负责采集采空区环境温度，将采集到的温度数据通过单总线的形式传递给CC2430，采集到的数据经过RF收发器发送到路由节点。数据采集节点的结构框图如图2所示。

图2 数据采集节点框图Fig 2 Block diagram of data collecting nodes

2.2 Coordinator节点的硬件设计

Coordinator节点同样以CC2430为核心，电源部分可以采用有线进行供电。另外增加了一个CAN总线收发模块，实现CAN总线2种通信协议的转换。Coordinator节点的结构框图如图3所示。

图3 Coordinator节点框图Fig 3 Block diagram of coordinator nodes

CAN总线收发模由CAN总线控制器MCP2515和CAN总线收发器CTM8251组成。电路如图4所示。MCP2515与MCU的链接是通过业界标准串行外设(SPI)来实现的。CC2430有2个串行通信接口:USART0和 USART1。查CC2430 I/O外设映射表，配置P1口的4，5，6，7引脚为SPI通信口［9，10］。MCP2515 的 SPI相关引脚分别连接到CC2430 P1口的对应引脚上实现数据的传输。SPI数据经过MCP2515协议转换成CAN总线信号，并通过CTM8251对CAN总线数据进行收发控制。CTM8251的主要功能就是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC2500V的隔离功能。

2.3 电源管理模块的硬件设计

终端数据采集节点采用电池供电，路由节点和Coordinator节点采用直流供电。电源模块可以采用现有井下127 V转5 V本安型有线直流电源供电和可充电电池供电。由于CC2430工作电压为3.3 V，为了避免因电池长时间工作而造成的电压下降，系统采用具有升降压功能的稳压芯片TPS63001，其可为系统提供稳定的3.3 V工作电压。电路如图4所示。

图4 电源管理模块电路Fig 4 Circuit of power management module

3 系统软件设计

3.1 数据采集节点的软件设计

数据采集节点的主要任务是进行网络加入、数据量测以及发送数据。节点上电后，首先进行CC2430硬件初始化和Zig Bee协议栈初始化，完成节点的参数设置、寄存器设置以及工作模式的设置。初始化完成后请求加入网络，一点加入网络成功，就进入时间轮询模式。节点定时查询有无事件发生，这里的事件主要是对定时器的设置。由于数据采集节点的采用电池供电，考虑到能耗和电池寿命，每隔一定时间启动定时器，唤醒节点进行温度数据的采集，并把数据封装成一定的数据包格式发送出去，当没有数据进行传输的时候设置节点进入低功耗的休眠状态。流程图如图5所示。

图5 数据采集节点软件流程图Fig 5 Programming flow chart of data collecting nodes

3.2 Coordinator节点的软件设计

Coordinator节点主要负责Zig Bee网络的建立、允许终端节点加入网络、进行数据的处理和协议转换，并将温度数据传送到上位机。Coordinator节点上电后经过CC2430硬件初始化和Zig Bee协议栈初始化后，进行信道搜索并建立网络。当终端节点成功加入网络后，接收并传送数据。在数据传输时充当无线传感器网络与CAN总线的网关，实现通信协议的转换。另一方面，Coordinator节点接收上位机的控制命令并经数据转换后将命令传送给终端数据采集节点。流程图如图6所示。

图6 Coordinator节点软件流程图Fig 6 Programming flow chart of coordinator nodes

3.3 温度传感器DS18B20的软件设计

DS18B20的工作电压为3～5.5 V，温度测量范围为－55～125℃。在测温的过程中有严格的通信协议。每次对DS 18B20的温度转换一般进行3个步骤:初始化、ROM操作、存储器操作。

MCU在接收应答脉冲之后，由于在每个MCU上只挂接了1个DS 18B20，因此，跳过ROM检查，并启动温度转换命令，等待转换结束后，发送RAM指令，读出温度值，并转换成十进制形式。温度采集程序流程图如图7所示。

图7 DS18B20工作流程图Fig 7 Working flow chart of DS18B20

4 实验测试

将上述方案设计的温度监测系统与标准水银温度计进行温度对比实验。水银温度计的最小刻度为0.1℃，在0～100℃选取2个节点进行实验。5月13日，在实验室环境下从上午9点到下午15点每隔1h记录一次采集到的温度值，节点外接LED数码管显示温度传感器采集的温度值，设定显示位数为三位。测试结果如表1所示。

表1 测试温度数据Tab 1 Test temperature data

5 结论

通过实验结果看出:该系统可以有效的测量温度的变化，根据温度精度要求的不同，可以将温度精度调整到最高0.0625℃。测量值与标准值间的误差主要是由于传感器本身的误差导致。系统在无线传输上稳定可靠，由于温度测量范围为－55～125℃，因此，该系统能够有效地对采空区温度变化进行监测，并将采空区温度预警控制在125℃内，杜绝了煤的自燃。

［1］严民杰.纳林庙煤矿采空区自然发火的综合防治技术研究［J］.中国矿业，2010(8):95－100.

［2］唐 辉.魏家地高瓦斯综放采空区自燃预测预报研究［D］.西安:西安科技大学，2010.

［3］于之江，姬战锁.采空区自然发火预测的研究［J］.水利采煤与管道运输，2009(12):13－1.

［4］张嘉怡，刘建文，伍川辉.Zig Bee技术在煤矿安全监测中的应用［J］.中国测试技术，2008(4):122－125.

［5］敖诚博.基于Zig Bee技术的温度数据采集监测系统的设计［D］.长春:吉林大学，2010.

［6］高守伟，吴灿阳.Zig Bee技术实践教程－基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［7］孙利民，李建中，陈 渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［8］丁恩杰，孟 祥，李 晓，等.基于无线传感器网络的井下液压支架压力监测系统设计［J］.煤矿机械，2010(10):139－141.

［9］Chipcon A S，Smart R F.CC2430Preliminary(rev 1.01)［DB/OL］.［2005—09—15］.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf.

［10］马永强，李静强，冯立营.基于 Zig Bee技术的射频芯片CC2430［J］.单片机与嵌入式系统应用，2006(3):45－47.