煤矿杂散电流监测系统子网设计

杜京义 周 栋 唐小华 李 娜

（西安科技大学电气与控制工程学院，陕西 西安 710054）

煤矿杂散电流监测系统子网设计

杜京义 周 栋 唐小华 李 娜

（西安科技大学电气与控制工程学院，陕西 西安 710054）

针对矿井下杂散电流检测环境复杂、干扰严重、不适于敷线等特点，组建了ZigBee无线传感网络，使系统的可扩展性、通信可靠性得到加强。考虑到无线传感网络容量有限，提出结合嵌入式网关，实现增加子网络或添加分站式杂散电流监测系统。嵌入式网关将无线传感网络数据转入有线工业监控网络，建立地域杂散电流数据库，以加强对地域的整体安全分析和管理。试验验证了该系统应用于矿井下复杂环境杂散电流检测的正确性及可行性。

煤矿 杂散电流 ZigBee 无线传感网络 嵌入式网关 监测系统

0 引言

在煤矿井下，直流电机车牵引网络中的杂散电流是引发雷管先期爆炸的原因之一，也是引起地下金属管道和电缆被腐蚀的主要原因［1］。其危害主要包括提前引爆电雷管、引起瓦斯爆炸、漏电保护误动作、影响井下通信系统等［2］。杂散电流需通过连续观测，以实现对其危险性的有效评估。文献［3］采用基于嵌入式TCP/IP协议单片机技术监测杂散电流，文献［4］采用单片机结合CAN总线技术实现杂散电流监测的网络化。以上方案均采用全局布线方式。由于现场情况复杂多变，不适合敷设信号传输线缆［5－6］，且使用有线传输的监测系统很难达到预定目的［7］。

ZigBee技术以其自组织、低功耗、低延时等特点［8－10］，被广泛应用于各种场合。因此，本文提出以ZigBee子网络代替现场级监测、传输数据，避免现场布线的困扰。

1 系统构建概述

在目前的煤矿监测系统设计中，系统通信方式基本上是以光纤的工业以太网有线网络为主体并结合现场总线技术。该网络具有传输方式稳定、传输速率高等优点。但是在煤矿特殊区域中，如废弃的矿井、开采面以及狭小巷道等工作面，对这种有线的传输方式提出了很大挑战。这些区域存在着大量的不确定非安全因素等，发生事故时容易对有线网络造成致命的破坏，不利于井下环境的实时监测。ZigBee网络具有自组织、低功耗、结构简单、成本低等特点，采用无线传感网络实现煤矿监测系统设计，可以很好地解决井下近距离通信问题，保证数据传输的持续性、系统的可靠性。

杂散电流监控系统分为两大部分，一部分为现有杂散电流监控系统，第二部分为扩展杂散电流监控系统。本文将对扩展杂散电流监控系统进行设计。扩展杂散电流监控系统由两部分组成，第一部分为ZigBee无线传感网络，实现杂散电流检测、转换与数据传输；第二部分为由ARM11构成的嵌入式网关，实现ZigBee与TCP/IP或CAN等多种协议间数据转换。ZigBee网络包含以下3种设备：①协调器（PAN coordinator），负责建立和维护网络，承担无线网络与网关的连接；②路由器执行路由功能，也称全功能设备（full functiondevice，FFD）；③终端节点作用为执行基本功能，也称精减功能设备（reduced function device，RFD）。

图1 系统拓扑图Fig.1 System topology

系统拓扑图如图1所示。于ARM的嵌入式网关选择三星S3C6410 ARM11内核微处理器作为中央处理器。S3C6410内有宽范围的UART接口，适合通信网络中作为嵌入式软Modem使用，具有2GB NAND Flash；同时，采用DM9000AE控制器的100 Mbit/s以太网口，可扩展CAN通信控制芯片。嵌入式网关架构示意图如图2所示。

通过构建基于嵌入式网关的ZigBee无线传感网络，使该系统具备以下功能：①RFD外接杂散电流检测装置，持续监控其物理参量并向外传输监控数据；②FFD将RFD发送的监控数据实时传送到协调器节点；③协调器接收来自FFD数据，并通过UART送至网关；④网关接收来自ZigBee网络数据，转换后经由TCP/IP或CAN送至监控中心。

系统采用TI CC2530底板作为网络节点核心器件，以ZigBee协议为系统网络传感无线部分基础。系统通过杂散电流检测装置将杂散电流数据送入ZigBee终端节点，经由无线方式通过单跳或者多跳将数据发送至协调器节点。协调器节点通过UART方式与嵌入式网关相连接，完成数据由无线网络到网关的传输。网关采用S3C6410底板作为嵌入式网关基础。UART接口与无线传感网络中协调器节点相连接，完成数据由无线到网关的传输。TCP/IP接口与以太网相连接，完成数据由网关到以太网的转换及传输功能。

图2 嵌入式网关构架示意图Fig.2 Schematic diagram of the architecture of embedded gateway

2 系统硬件设计

2.1 基于ARM的嵌入式网关设计

从功耗和便携性上考虑，ARM11拥有独立的loadstore和算术流水的8级流水线，与ARM9相比性能提高了40％，是一种高性能、低功耗的微处理器。因此，基

2.2 ZigBee网络节点硬件设计

①杂散电流检测信号处理电路

由于杂散电流含有直流杂散电流与交流杂散电流，因此，采用探针法与近参比法相结合的方法测取杂散电流波形，并通过电压信号的形式反映出来。在杂散电流检测信号处理电路中，低通滤波电路与LM324AD电压跟随电路组合成一阶低通有源滤波电路，在信号放大前滤波，防止噪声进入放大器。低功耗高精度单电源供电放大器OPA335对交流电流进行偏置放大，得到对应波形的直流信号。低通一阶滤波电路与OPA335电压跟随电路组成一阶低通有源滤波电路，滤除放大器产生的噪声，并将信号送至CC2530进行A/D转换。信号处理电路如图3所示。

图3 信号处理电路Fig.3 The signal processing circuit

②网络数据处理单元硬件设计

ZigBee网络数据处理单元主要是依靠 FFD与 RFD设备中所包含的微处理器进行数据运算及处理。因此，所有ZigBee网络的数据处理依靠FFD与RFD节点中的CC2530核心板完成。ZigBee核心处理单元电路如图4所示。

图4 ZigBee网络节点数据处理核Fig.4 The data processing core of ZigBee network node

③节点电源

ZigBee节点采用干电池供电方式。为保证A/D转换基准参考电压恒定在4.5 V，采用REF5045对干电池电源进行转换，为CC2530 A/D转换提供基准参考电压。CC2530具有电源管理功能，可以实现对电源供电进行监测和管理，当供电不足时，向网关发送电量不足信息，提醒更换电池。CC2530芯片拥有4种供电模式，可在低至0.4μA供应电流下响应外部中断。

3 软件设计

系统监测由网关、FFD软件与RFD软件三个部分组成。其中，网关部分利用μC/OS-Ⅱ在S3C6410上裁剪和移植形成网络操作系统，并根据FFD设备需求，将嵌入式TCP/IP协议栈与ZigBee协议栈有机结合，完成数据由无线网络无缝接入有线网络。FFD与RFD设备软件部分主要基于TIZ-STACK协议栈，针对不同设备对ZigBee应用层软件进行适当修改即可。

3.1 嵌入式网关软件设计

（1）协调器节点（FFD）与 ARM核心板通过URAT进行通信。

协调器节点的功能为：①负责建立并维护整个ZigBee网络；②将ZigBee网络中的数据通过URAT传送至ARM网关。协调器节点软件流程如图5所示。

图5 协调器节点软件流程Fig.5 Coordinator node software process

（2）ARM核心板作为网关节点核心，主要实现以下功能：

①与ZigBee网络中的协调器节点通过UART与ZigBee网络进行实时通信；

②建立TCP/IP总线服务，将ZigBee网络检测数据发送至上位机或者将上位机命令送至ZigBee网络；

③对杂散电流超标区域进行预警。

网关节点软件流程如图6所示。

图6 网关节点软件流程Fig.6 Gateway node software process

3.2 ZigBee网络节点软件设计

RFD设备主要负责杂散电流信号的检测并转发至ZigBee网络。RFD启动，完成初始化，加入附近的ZigBee网络并建立连接，完成对检测到的杂散电流的A/D转换，将转换后的数据通过无线发送至最近的父节点。检查并接收来自父节点的消息，根据父节点指令作出相应动作或周期性地进入休眠状态。RFD软件流程如图7所示。

图7 终端节点软件流程Fig.7 Terminal node software process

4 系统测试

在实验室环境，利用信号发生器模拟产生杂散电流，对系统进行测试。在同一楼层，A房间产生信号并对该信号进行检测；在楼道间随意放置路由节点3个；在B房间门口放置嵌入式网关并通过LAN口与上位机相连接。数据统计表如表1所示。

表1 实测收发数据统计表Tab.1 Statistics of the transceiver datameasured

通过试验结果可以看出，实验室数据有一定程度丢失，但是大多数杂散电流数据能完整接收并保存，达到了系统设计目的。

5 结束语

本系统充分利用无线传感网络优点，可随机布置节点位置，不需要在改变当前矿井网络结构、增加布线的方式下实现对杂散电流的实时在线监测。改变传统现场监测杂散电流监测布线困扰的现状，系统通过灵活添加或删除杂散电流监控子网络，有线与无线的结合，将整个工作面、巷道等地域连接起来，实现对整个区域的杂散电流状态监测，并形成杂散电流数据库，以便加强对整个区域的监测、分析和管理。

［1］张英梅.煤矿井下杂散电流分布规律的研究［J］.煤炭学报，2005，30（1）：129－132.

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Design of the Subnet of Stray Current Monitoring System for Coalmine

Stray current detection under coalmine features complex environment，serious interference，and unsuitable for cabling，so it is necessary to setup ZigBee wireless sensor network（WSN）to strengthen scalability of the system and reliability of communication.Considering the capacity of the wireless sensor network is limited，the combination of embedded gateway is proposed to implement adding subnet or substation stray currentmonitoring system.TheWSN data are transferred towired industrialmonitoring network via embedded gateway，thus the regional stray current database is established for enhancing overall safety of regional analysis and management.The experiments verify the correctness and feasibility of this system applied in stray current detection under complex environment of coalmine.

Coalmine Stray current ZigBee Wireless sensor network Embedded gateway Monitoring system

TP274

A

修改稿收到日期：2013－11－04。

杜京义（1965－），男，2007年毕业于西安科技大学安全技术与工程专业，获博士学位，教授；主要从事机器学习、新型机器人、辨识及建模、故障诊断、安全生产与监测、监控方面等的研究。