基于ZigBee技术的矿井监控系统设计

陈 亮,李敬兆

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

基于ZigBee技术的矿井监控系统设计

陈 亮,李敬兆

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

为更好地对井下煤矿开采所存在的安全隐患进行全面监控，提出了一种将ZigBee无线监控技术应用于建设矿井监控系统的设计方案。该系统主要由两部分组成，分为传感器监控分站下位机系统和地面监控中心上位机系统。在上位机与下位机之间，用ZigBee无线技术对井下现场的温度、湿度、瓦斯浓度等环境参数进行实时采集和数据传输、显示。本文详细介绍了该系统的硬件结构组成与软件设计，并在模拟环境下进行了测试运行，实际结果验证了该系统的有效性和准确性，表明了该技术与有线通信相比节约成本、安装方便、易于扩展。

ZigBee；传感器；无线网络；CC2530；监控

引言

煤矿行业的首要任务是保证煤矿产业的安全生产，矿井下环境复杂，容易发生事故，需要一个准确有效的监控平台对矿井环境实时监控，将安全事故消灭在萌芽期。监控分站在矿井监控中承担着重要角色，主要将井下各监控模块采集到的有效信息传输给地面控制中心，对矿井环境进行监控。[1]由于井下监控范围广、参数多，外加环境复杂多变与危险因素等影响，传统的井下电缆成本高、效率低、结构单一，不易变化与扩展。ZigBee无线技术能够克服传统有线通信的不足，其网络容量大，组网灵活，适合应用于监控领域。 与 BlueTooth、Wi—Fi、IrDA等无线传输协议相比，具有以下几个优势：功耗低，ZigBee网络节点设备工作周期较短，收发数据功率低，且采用了休眠模式；成本低，ZigBee协议栈的设计比较简练，研发成本相对较低，软件实现比较简单；传输可靠抗干扰性强，通信方式采用的是DSSS扩频，与RFID的宽带通信和433～915 MHz的FSK通信相比，具有抗干扰性强的特点；速度快距离远，ZigBee协议2.4 GHz物理层，速度为250 kbps，传输距离可达30米到70米，若扩大信号，传输距离可超过100米。

因此，ZigBee无线通信技术多用于构建无线通信网络，不仅能克服井下监控传统布线的区域限制，其组网灵活多变，还能增强矿井监控系统的扩展性，满足多个设备的无线联网和控制。[2]

系统结构如图1所示。

图1 煤矿监控系统结构图Fig.1 Structure of coal mine monitoring system

将井下划分成若干不同的区域，每个区域看成一个监控节点，每个监控节点设计成一个传感器分站，包括终端节点与传感器。地面监控中心与网关节点设计成为主站，分站与主站通过ZigBee技术组成星型网络，实现无线通信。[3]当监控点出现状态异常时能及时无误地传输到监控中心，便于管理人员对井下状态的掌握。

1.系统硬件设计

系统硬件主要包括终端节点模块、网关节点模块、传感器模块和电源管理模块。

终端节点模块采用的是TI公司的CC2530作为主控制器，它结合了领先的RF收发器的良好性能，业内标准的增强型8051 CPU。每个节点采集一个传感器信号，根据信号分析被监测点的工作状态并及时传输到上一级。[4]

网关节点模块由控制芯片STM32与射频芯片CC2530构成，通过RS232实现信息传递。STM32控制器选用的是基于ARMCortex-M3的STM32F103RB芯片。该系列采用RISC和Thumb-2技术，比传统的ARM减少了代码与内存。此模块主要承担着与各个传感器分站进行通信并与控制中心进行信息交互的任务[5]。

传感器模块主要由温度传感器、湿度传感器、瓦斯传感器、压力传感器等组成。将传感器置于各检测点，实时采集各点参数，并通过LMP90100进行放大滤波得到有效信号，发送给主控制器进行处理和分析。[6]

电源模块部分主要是对CC2530和各传感器提供电能。为了节约能量，我们可以选用CD4066模拟开关来控制采集部分即传感器模块电源的通断,以实现系统在不采集数据时，数据采集部分的功耗为零。[7]系统硬件组成框图如图2所示。

图2 系统硬件组成框图Fig.2 System hardware block diagram

2.系统软件设计

一般无线通信主站对分站的数据查询方式是依次进行的，可靠性低并且效率不高。本系统应用ZigBee无线通信技术组成无线监控网络。该网络采用的是星型拓扑结构，包含一个网关节点和若干个终端节点。整个网络的组建包括网关网络的组建和终端节点的增减。通过修改Z-Stack协议栈完成网络组建、设备入网和数据采集,并在IAR EWB开发环境下调试运行。[8]

系统的软件设计主要包括网关节点软件设计和终端节点软件设计。

网关节点与STM32主控制器相连，负责协调所有的终端节点，故网关节点也称作是协调器。主要工作有组建网络、增加和删除终端节点、查询网络中终端节点的数目、周期性检查整个网络中各终端节点的运行情况、接收终端节点发送的数据、信息识别、传输信息至控制中心、接收控制中心控制命令和将控制命令发送到各终端节点。[9]软件流程如图3所示。

图3 网关节点流程图Fig.3 Gateway node flow chart

主控芯片采用STM32F103RB单片机，并且嵌入了uCOS-II实时操作系统，该系统建立了与CC2530通信任务，与上位机通信任务，数据存储任务，时钟更新任务，界面显示任务。[10]并且根据系统的要求，分配了相应的优先级。

终端节点主要任务是负责控制各传感器模块，每个节点都有1个唯一的地址，执行整个无线网络的功能。[11]具体包括启动控制传感器模块、接收传感器模块采集的数据参数及类型数据、检测有无可用的无线ZigBee网络、申请加入ZigBee网络、发送数据参数、接收控制指令。[12]软件流程如图4所示。

图4 终端节点流程图Fig.4 Terminal node flow chart

3.性能测试

为测试监控分站及无线传感网络的性能，在完成一系列的设计制作之后，将所有设备与上位机进行连接组建一个模拟测试环境。在进行的三次测试中，所有设备正常运行，达到设计目的，检测结果取三次平均值显示如表1所示。

表1 模拟测试监测结果Table1 Simulation test results

4.结束语

本文运用ZigBee技术实现的矿井监控系统，能很好的满足远程监视矿井安全的需要，减小了煤矿事故发生的频率。有利于实现煤矿自动化。该无线传输技术可以减少电缆的铺设，安装方便易于扩展，降低成本。本系统不仅能应用在井下监控，还可以应用在楼宇、仓库、停车场等场合，有很广的应用前景。

[1]张璞.基于ZigBee的煤矿监控系统设计与研究[J].煤矿机械,2015,36(4):265-266.

[2]朱理望、杨柳、李高鹏.基于ZigBee技术的矿井安全综合监测系统设计[J].河南科技学院学报,2014（6）:51-52.

[3]廖海生.试析工业自动化领域中的无线技术[J].科技创新与应用,2013(20):74.

[4]韩涛、黄友锐、曲立国.基于Zigbee的煤矿风机无线监控系统研究[J].煤矿机械,2014(1):218-220.

[5]左建、刘浩、吕明等.基于无线传感器网络的手持终端设计[J].工业控制计算机,2014(5):29-30.

[6]徐健、杨珊珊．基于CC2530的ZigBee协调器节点设计[J]．物联网技术，2012，2(5)：55-57．

[7]李军、赵军.MEMS传感器的发展及其在煤矿井下的应用研究[J].煤炭技术,2014（7）：238-240.

[8]张军、何小刚.基于ZigBee的矿井液压支架压力监测系统的设计[J].煤炭技术,2016,35(4):251-252.

[9]Yuri Alvarez,Fernando Las Heras.ZigBee-based Sensor Network for Indoor Location and Tracking Applications[J].IEEE Latin America Transactions,2016,14(7):3208-3214.

[10]王文庆、唐轩、亢红波.基于ZigBee的矿井监测系统中以太网网关设计 [J].西安邮电大学学报,2015（3）：113-119.

[11]陈雪小.基于CC2530无线传感网络的环境监测系统的设计[J].传感器世界，2015（5）：19-21.

[12]L.K.Wadhwaa1Author Vitae,Rashmi S.DeshpandeaAuthor Vitae,VishnuPriyebAuthorVitae.Extendedshortcuttreerouting for ZigBee based wireless sensor network[J].Ad Hoc Networks,2016,37(2):295-300.

[13]韩雪原、王瑞荣、段翠翠.基于Zigbee定位系统节点及测距技术研究[J].杭州电子科技大学学报,2012(6):157-160.

编辑：董刚

Design of Coal Mine Monitoring System Based on ZigBee Technology

CHEN Liang，LI Jingzhao
（Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001）

In order to better monitor the safety hidden trouble existing in underground coal mine,this paper puts forward a system design scheme of applying ZigBee wireless monitoring technology in the construction of mine monitoring.The system mainly consists of two parts,divided into upper computer system sensor monitoring substation lowercomputer system and the ground control center,using ZigBee wireless technology to the mine site temperature and humidity,gas concentrations and other environmental parameters in realtime acquisition and data transmission and display.This paper introduces the hardware and software structure of the system design,and the test run in the simulation environment,the results show the effectiveness of the system and the accuracy of the technology that cable monitoring,compared with the traditional cost saving,convenient installation,easy to expand.

ZigBee；sensor；wireless network；CC2530；monitoring

TD76

A

2095-7327（2017）-09-0030-04

陈亮（1987-），女，安徽青阳人，安徽理工大学电气与信息工程学院助理实验师，硕士，研究方向：计算机智能控制。李敬兆(1963-),男，安徽理工大学电气与信息工程学院教授，博士，研究方向：嵌入式系统。

国家自然科学基金资助项目(61170060)煤矿井下物联网感知层感控异构融合理论与技术基础研究。