采空区温度监测Zigbee 无线自组网技术研究

冯文健

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616）

0 引言

就目前来看，煤炭仍然是我国的主要一次能源，随着综采设备的逐渐完善，综采面采高高度也逐渐加高，这就造成了煤矸石易掉落，增加了浮煤的含量，易产生自燃[1-3]。另外现在挖掘的深度越来越深，深度越深综采面的内部压力越大，温度也就越难以控制。所以采空区遗煤、浮煤的自燃问题是困扰煤炭安全开采的重大难题[4-5]。对采空区任何隐藏点温度的监测是解决煤自燃的最重要手段之一，只有准确及时监测温度才会有效抑制遗煤、浮煤由自热向自燃的转变，根本保证采空区的安全[6-8]。

目前井下测温系统多是由有线系统组成，其施工难度大、灵活性低，很难将所有的采掘点都覆盖到[9]。本文提出的无线自组网传感器系统是一种低功耗、易安装、抗毁性能强的系统，特别适合与安装地点随意改动、不易施工的场所。

1 采空区测温自组网系统设计方案

如图1 所示，本文的设计方案采用理论与实际相结合的思路，加入无线传感器信息采集和传输技术，对组网的协议、安全、数据管理和嵌入式系统进行深入探讨，在调查井下采空区实际运行环境的基础上搭建模拟平台研究遗煤、浮煤、岩石堆积对无线模块之间通信的影响确定最佳的无线传输频率和天线构造[10-11]。

图1 方案框图

2 Zigbee 测温终端及网关硬件设计

每一个测温终端都肩负着将固定位置的温度信息每隔一段时间发送到本区域网管的任务，终端内部电路图如图2 所示，CC2530 是一种超低功耗、高集成度OEM 模块，集成了MCU、RF 电路、存储器、Zigbee 协议，大大降低了开发的难度。内部的射频芯片为AT86F212，这种专门为Zigbee 设计的芯片其功耗非常低。MCU 为CC2530，该芯片是属于超低功耗8位CMOS 处理器。Zigbee 模块与数字式温度传感器TMP112 使用SPI 接口时实进行通信，将获取的温度值存储在内部的EEROOM 中，每隔一段时间将这一段时间采集到的温度值的平均值上送给网关。模块自带本安电路和ESD 防静电电路，达到IEEE802.15.4 标准，具有很强的EMC 标准和本安特性。

图2 终端内部电路图

网关的设计与终端类似，只不过只是将固定区域内的终端信息汇总然后分包发送给综合监控平台。

3 温度数据传输地址分配算法

网关负责将自己区域内的任意一个终端分配唯一的地址，其中有一些特殊的网关规定其余网关所拥有的最大子节点数目，也就是最大的终端数，这种特殊的一类网关类似于路由节点，而其余的网关称之为父节点，每一个父节点下的终端数目称之为子节点。

在一个组网的Zigbee 网络中，网络节点数目总会有其最大的容量值，称之为网络深度，子节点地址的分配由父节点按照如下公式分配：

d为节点m到路由节点的相对深度；Cskip（d）为节点m所拥有的子节点数目；Cm为被节点m所控制的节点数目；Rm为用作路由功能的节点数目；Lm为最大的网络容量，也称之为网络深度。

显然当Cskip（d）为0 时，这个节点为末端节点也就是子节点，无法也没有必要将其他的节点介入这个节点之中，这个节点不具有再分配地址的能力。当Cskip（d）大于0 时，这个节点就为父节点，可以将其他的设备接入到网络中，具备拓展网络的能力。网络中路由节点n的地址按下式计算：

其中：An为路由节点n的地址；Aparen为节点n父节点的地址；子节点l地址按下式计算：

其中：Al为路由节点l的地址；Aparent为节点l 父节点的地址。

按照式（1）～（3）分配地址，部分设备地址分配图如图3 所示。

图3 地址分配示意图

4 温度数据采集、上传流程

4.1 终端采集温度工作流程

终端子节点负责将最底层的温度数据采集并上传，终端上电后首先进行硬件外设等初始化，而后Zigbee 芯片CC2530 初始化Zigbee 协议，发送主动请求加入Zigbee 网络报文，路由节点分配给这个终端唯一的地址。终端在平时状态处于低功耗休眠状态，定时唤醒进行温度采集并上传给父节点，利用中断随时接收父节点的命令和其他操作，工作流程如图4所示。总之终端处于超低功耗运行状态，这样做的目的是因为终端无外接电源，只能电池供电为了节能增强续航时间同时这也是为了达到采空区监测设备的设计要求。

图4 终端子节点工作流程

4.2 路由节点工作流程

路由节点提供外置电源供电，随时处于工作状态，因为它承担着网络的搭建、新节点的加入、老节点的删除还有将终端节点上传数据进行汇总和上传给后台上位机。其主要工作流程如图5 所示。

图5 路由节点工作流程

5 预测结果及分析

首先对网络节点的建立做测试，温度数据在传输首先是各个节点的加入，每一个节点加入时都会主动向路由节点申请一个地址然后路由节点根据前文所述的路由算法给予分配节点然后发送应答报文给这个新加入的节点，节点收到应答报文后开始注册本节点信息，注册成功后节点加入到网络中。节点加入过程如图6 所示。

图6 新节点加入网络过程

对于Zigbee 模块在井下的应用，由于其工作环境非常恶劣所以要求必须保证在100 m 的距离之内其丢包率在3%以下才能确保装置的实用价值。选择实验地点为中煤平朔集团四号井工矿采空区巷道，其实验结果如表1 所示。

表1 的发送功率为0 dB 接受功率灵敏度为-90 dB，这样可以最大程度上降低功耗，测试结果丢包率都在2%以下满足丢包率3%以下的实用要求。当然在实际的采空区中这些节点应该说大部分都是被掩埋的而且采空区的巷道一般都不是直线型巷道，这就要求节点的穿透及绕行能力必须达到实际应用要求，所以选取五个实验节点，这五个节点的ID 为46、53、147、234、304，将以上节点掩埋进行实验，掩埋深度为3 m，五个节点之间相距距离都在60 m 左右，稳定测试时间为30 天，温湿度环境都基本维持一致，传输频率为两小时采集一次温度，其实验结果如表2所示。

表1 丢包率测试

表2 穿透及绕行能力测试

通过表数据发现，距离较远又没有中间节点过渡时通信距离受限制，如果两个节点之间相距较远但是中间有工作的父节点完全可以保证通信的可靠性，说明在实际施工过程中需要给系统一定的冗余度这样系统工作会更加稳定可靠。

6 结语

本文提出一种采空区温度监测Zigbee 自组网技术，阐述了硬件及软件的构成方式，利用改进的路由算法对Zigbee 网络个节点进行地址自动分配，再加上简单可靠的硬件结构，超低功耗器件的使用，对于井下采空区温度的实时监测可以提升一个档次。实验结果表明本文构建的系统其传输距离远，通信稳定性可靠，系统适度的冗余度能够大大提高监测的可靠性，为井下采空区温度监测做出了卓越贡献。