金属矿井无线温湿度监测系统设计

何学文 孙 汗 曹清梅

(江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000)

·机电与自动化·

金属矿井无线温湿度监测系统设计

何学文 孙 汗 曹清梅

(江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000)

针对目前金属矿井温湿度监测系统中存在的线缆布线复杂、成本高、灵活性差、容易出现监测盲区等问题，设计了一种无线温湿度监测系统。系统各个节点以CC2530为核心，终端温湿度采集节点通过温湿度传感器SHT10采集金属矿井温湿度数据，然后将数据通过终端节点采用无线的方式发送到汇聚节点，汇聚节点对数据处理后通过串口把温湿度值传递到监控中心的上位机。采用LabVIEW对上位机的监控软件进行开发，人机交互界面友好。该系统实现了金属矿井温湿度的自动采集、处理、显示、存储以及异常情况的自动报警等功能，最终实现对金属矿井温湿度的实时监控。实验结果表明：该系统具有数据采集灵敏、可靠性高、成本低、布置灵活、维护方便等优点，解决了现有金属矿井温湿度监测系统存在的问题。

金属矿井 ZigBee 温湿度 LabVIEW

随着科学技术日新月异的发展，金属矿井智能化管理得到人们越来越多的关注。在金属矿井这种特殊的环境下，若要实现高效的智能化管理则需要更先进的环境监测系统，而其中对金属矿井内温湿度的监控是很重要的一个方面，在金属矿井生产的每一个环节都需要合适的温湿度环境，来提高生产力。

目前金属矿井温湿度的监测系统大多数是通过有线通信方式建立的，有线通信存在布线复杂、维护不方便、监测点相对固定、不够灵活、成本高等问题，不能很好地满足矿井智能化管理的需求，而基于Zig Bee的无线传输设备具有高性能、低功耗、短距离、维护简单等优点，其在金属矿井环境中的实用性能要明显优于现有的有线或其他无线通信技术。鉴于此，本研究采用基于ZigBee的无线传感器网络技术，针对金属矿井生产的实际情况，设计一种金属矿井无线温湿度监测系统。

1 系统总体构架设计

本系统由温湿度传感器节点、汇聚节点、监控中心组成，其具体结构如图1所示。大量ZigBee温湿度传感器节点部署在金属矿井重点监测区域，节点通过自组织方式构成无线传感器网络。传感器节点监测到矿井温湿度数据，然后通过多径传输路由到无线传感器网络的汇聚节点，由汇聚节点对数据进行分析、融合以及协议转换和重新封装处理后，通过串口(RS232)将数据发送到监控中心，用户可以通过监控中心管理平台上的系统软件对发送来的数据进行分析、处理、存储、显示并判断温湿度是否超过预警值，如果超过报警值，系统自动语音报警，并与金属矿井巷道内风机、水泵联动。

图1 系统结构Fig.1 Block diagram of system structure

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点

传感器节点主要任务是完成金属矿井重点监测区域温湿度的数据采集，其结构如图2所示。

图2 传感器节点硬件结构Fig.2 Hardware structure of sensor node

由图2可以看出，传感器节点主要由SHT10温湿度传感器、CC2530 Zig Bee无线收发模块以及电源模块组成。通过SHT10采集金属矿井监测区域内的温湿度数据，经CC2530处理后通过2.4 G天线发送出去；相反，天线收到控制指令以后交给CC2530芯片，由其做出相应的操作。SHT10是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器，该传感器全量程标定，2位输出；它具有体积小、精度高、接口简单、构成系统成本低等优点。其主要性能参数有：工作电压为2.4～5.5 V；湿度测量范围为0 ～100%，测量精度为±4.5%；温度测量范围-40～+123.8 ℃，测量精度为±0.5 ℃[1]。CC2530是用于2.4 GHz、IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案，CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM等功能，与CC2430相比，CC2530在发射功率、低功耗、链路预算、射频噪声抑制能力等方面都有较大的提高[2-3]。该部分的电源模块采用5 V锂电池供电，通过AMS1117_3.3芯片可为系统各部分提供3.3 V的直流电压，锂电池供电可持续使用6个月到2 a。SHT10与CC2530接口电路如图3所示，电源模块电路如图4所示。

图3 SHT10与CC2530连接图Fig.3 The connection diagram of SHT10 and CC2530

图4 电源电路Fig.4 Power circuit

2.2 汇聚节点硬件结构

汇聚节点处于温湿度传感器节点的上层，其主要功能是完成网络的维护、数据上传、命令下达、协议转换、网络监测与管理等功能，具体结构如图5所示。

图5 汇聚节点框图Fig.5 Block diagram of Sink node

汇聚节点采用CC2530F256芯片，该芯片适用于2.4 GHz的射频收发，采用倒F天线，具有256 kB可编程闪存，内含增强型低功耗8051微控制器内核和一些常用外设，只需极少的外围器件就能保证芯片的正常工作，并提供不同低功耗供电模式，支持最新的ZigBee2007/Pro协议栈，带有2个USART接口。时钟电路采用32 MHz和32.768 kHz双石英谐振器模式，分别可使芯片工作在高速处理模式和低功耗的休眠模式，以此控制芯片的能耗。采用MAX3232对RS232电平和TTL电平进行转换，将收集的温湿度数据通过串口上传到监测中心[4-5]。考虑到汇聚节点的功耗较大，该部分电源供电可采用容量较大的锂电池供电，如2 000 mA的锂电池提供3.6 V供电，该电池可反复智能充电，解决了使用一般干性电池需要经常更换的问题。

3 系统软件设计

系统的软件设计包括传感器节点软件设计、汇聚节点应用程序设计、监控中心软件设计3个部分。

3.1 传感器节点软件设计

传感器节点的主要任务是进行网络加入、数据采集和发送、保持与邻近节点间的通信、检测链路工作状态、路由功能等。由于传感器节点采用电池供电，考虑到电池寿命和能耗，利用定时采集数据的方式，在传感器节点设置断点，间歇性采集数据，并把数据封装为一定的数据包格式发送出去，每完成一次数据采集和发送数据后进入一段低功耗的休眠状态，直到下次中断到来唤醒传感器节点的休眠状态，然后传感器节点重新进入工作状态。传感器节点软件设计流程如图6所示。

图6 传感器节点设计流程Fig.6 The design flow chart of sensor node

3.2 汇聚节点软件设计

汇聚节点软件的主要任务是组建与维护一个Zig Bee网络，并初始化监控计算机的IP地址和端口号且主动连接监控计算机，接收网络中所有节点发出的网络状态信息包，为有入网请求的传感器节点分配地址，并接收分析传感器节点传送的数据包后，通过串口(RS232)发送到监控计算机。此外，汇聚节点利用串口(RS232)接收监控计算机发出的指令并将指令传送到无线传感器网络中的指定传感器节点，并采取相应的处理。汇聚节点软件设计流程如图7所示。

图7 汇聚节点设计流程Fig.7 The design flow chart of Sink node

3.3 监控平台软件设计

管理中心监控平台软件采用LabVIEW进行开发，LabVIEW是NI公司开发的图形化编程开发平台，具有强大的实时数据处理与显示、存储和控制等功能，人机接口界面采用图标创建，易于创建友好的人机交互界面[6]。系统的监控平台软件主要包括用户管理模块、数据显示模块、超限告警模块、串口通信模块、数据存储模块、数据库访问模块。

本系统可以通过设计的软件界面查询到金属矿井巷道中任何一个传感器节点的位置以及实时温湿度数值和存储的历史数据，并且软件会自动对实时显示的传感器节点的温湿度值与系统预设的温湿度参数值进行比对，如果超过预设的温湿度值，则系统会报警并语音提醒管理者，同时发出信号对联动设备进行控制。此外，该系统采用LabVIEW中提供的DataSocket的数据传输方式，实现用户的Internet网络远程访问，采用Microsoft Ado及SQL语言的NI公司免费的多数据、跨平台的LabSQL工具包来完成对数据库的访问。

4 实验与结果分析

将按上述方案设计的温湿度监测系统与深圳华图S590-TH数字式温湿度计进行对比实验。在0～125 ℃选取3个传感器节点进行实验。2013年10月27日，在实验室环境下从上午10：20到晚上20:20点，每隔1 h记录采集到的温湿度值，得到测试数据如表1所示。

表1 测试数据Table 1 Test data

从表1中可以看出，温湿度数值、温湿度误差均在正常测量和控制误差允许范围之内。测试结果表明：该系统在无线传输上稳定可靠，能够成功采集监测区域内的温湿度数据，相比传统的温湿度计，该系统具有数据采集灵敏、可靠性高等优点。

5 结 论

本研究以CC2530芯片与SHT10温湿度传感器为核心构建一个金属矿井无线温湿度监控系统，该系统具有通信可靠性、功耗低，扩展性强、组网快、通信灵活、安装方便等优点，能够有效解决现有金属矿井温湿度监测系统中存在的线缆布线复杂、灵活性差、容易出现监测盲区等问题。同时，LabVIEW的引入提供了便捷的人机交互界面，系统可以方便地应用于金属矿井巷道中，该系统还可以推广到其他需要温湿度监测的场合。

[1] 陆荣钅监,李 品,孙 周.SHT10传感器在温湿度监测系统中的应用[J].传感器与微系统，2012，31(9) ：136-145. Lu Rongjian，Li Pin，Sun Zhou.Application of SHT10 Sensor in humidity-and-temperature monitoring system[J].Transducer and Microsystem Technologies，2012，31(9)：136-145.

[2] 李正民，张兴伟，柳宏川.基于CC2530的温湿度监测系统设计与实现[J].测控技术，2013，32(5) ：25-28. Li Zhengmin，Zhang Xingwei，Liu Hongchuan.Design and realization of temperature and humidity monitoring system based on CC2530[J].Observation and Control Technology，2013，32(5)：25-28.

[3] 王公堂，李艳华，杨金宝.基于ZigBee的温湿度监测系统的研究[J].电子设计工程，2013，21(1) ：63-66. Wang Gongtang，Li Yanhua，Yang Jinbao.Research of temperature and humidity monitoring system based on ZigBee[J].Electronic Design Engineering，2013，21(1)：63-66.

[4] 何建华，罗 飞，张足生，等.基于ZigBee技术的温湿度监测系统[J].微型机与应用，2012，31(15) ：54-57. He Jianhua，Luo Fei，Zhang Zusheng，et al.Temperature and humidity monitoring system based on ZigBee technology[J].Microcomputer and Its Applications，2012，31(15)：54-57.

[5] 张烈平，杨 帆.基于ZigBee的温湿监控系统设计[J].中国农机化学报，2013，34(2)：113-115. Zhang Lieping，Yang Fan.Design on greenhouse monitoring system based on ZigBee technology[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2013，34(2):113-115.

[6] 王 业，王 聪，许加庆.基于LabVIEW 与SQL Server的心电数据库设计[J].计算技术与自动化，2013，32(2) ：128-132. Wang Ye，Wang Cong，Xu Jiaqing.Design of the ECG database based on LabVIEW and SQL Server[J].Computing Technology and Automation，2013，32(2):128-132.

(责任编辑 徐志宏)

Design on Wireless Temperature and Humidity Monitoring System of Metal Mine

He Xuewen Sun Han Cao Qingmei

(MechanicalandElectricalEngineeringCollege，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China)

Aimed at the present disadvantages about temperature and humidity monitoring system of metal mine，such as complex cable wiring，high cost，poor flexibility，prone to blind area monitoring and so on，a wireless temperature and humidity monitoring system is designed.The system nodes revolve around CC2530，end nodes sense the temperature and humidity of metal mine by temperature and humidity sensor SHT10，then，data is sent to sink node from end nodes by the way of wireless.Sink node sends processed data to the monitoring center of the upper machine by a serial port.The system uses LabVIEW as PC monitoring software development with friendly human-computer interaction interface，which realizes automatic data collection，processing，display，storage，abnormal situation of automatic alarm and so on，the final implementation of real-time monitoring of temperature and humidity in mental mine.The experimental results show that the system has some advantages，such as high reliability，low cost，flexible layout，convenient maintenance and so on，solving the existing problems in temperature and humidity monitoring system of metal mine.

Metal mine，ZigBee，Temperature and humidity，LabVIEW

2013-12-09

国家自然科学基金项目(编号：61163063，50764005)，江西省教育厅科技项目(编号：GJJ12329，GJJ12353)。

何学文(1971—)，男，教授。

TD77+2

A

1001-1250(2014)-03-116-04