基于Zigbee 技术的矿井环境信息监测系统设计

龙祖连，王丽磊，幸敏

（广西水利电力职业技术学院，广西南宁，530023）

0 引言

煤矿在开采过程中井下的环境错综复杂，在矿井里面有很多我们不可预知的环境条件，为了防止矿井安全事故的发生，需要对矿井下面的环境信息进行实时监测，以保证矿井下面的工作环境安全和稳定，才能保证我们的安全生产。随着物联网技术的在各个领域的快速发展和应用，更多的设备的介入及无线组网技术用于感知信息采集监测的行业越来越广泛。当前物联网无线组网技术主要以蓝牙、WiFi 为主，这些技术传输距离短、功耗大、不易组网等问题，Zigbee技术作为一种新型的低功耗、远距离技术，利用其自身的自组网技术，不受外界干扰，安全性高，易组网等特点。本文将通过Zigbee 技术在矿井环境信息监测系统的研究中，利用ZigBee 自组网技术，通过感知层、网络层及应用层，将我们矿井下面的环境信息传到我们的控制室或云平台。该系统的研究解决了矿井里面环境复杂数据采集点分散、组网难等问题，提高我们物联网技术的应用领域。

1 系统总体方案

本系统利用Zigbee 自组网、低功耗等技术特点组建了矿井黄金信息监测系统，系统整体框架如图1 所示。系统主要包含感知层（传感器数据采集部分)、网络层（组网及网络传输部分)及应用层（上位机及人机交互部分)。

图1 系统整体框架图

该系统硬件组成有终端节点数据采集，主要是利用终端节点上的CC2530 单片机对矿井下可燃气体、温湿度、一氧化碳含量及烟雾浓度等数据进行数据感知及采集，利用Zigbee 自组网的特点，在矿井下面组建自己的网络，并将数据以无线的传输的方式汇总到协调器，协调器再将我们的数据传送到网关，最后传输到用户控制中心，实现对矿井内数据的实时监测。井下节点组网结构图，如图2 所示。

图2 井下节点组网结构图

2 系统架构

基于Zigbee 技术矿井环境信息监测系统构架由三部分构成，一是系统感知层，用于传感器对矿井环境信息监测及获取；二是系统网络层，用矿井里面传感器数据之间传递；三是系统应用层，对矿井环境数据的汇总显示、执行操作。

■2.1 系统感知层

在我们设计的矿井环境信息监测系统中，感知层我们主要以传感器技术为主，用于对矿井复杂的环境信息的数据采集。通过我们对矿井环境信息的了解及现场调研，我们知道在矿井里面影响安全生产的主要因素有：渗水、缺氧、瓦斯爆炸等，针对这些因素我们结合实际情况采用温湿度、CO浓度、烟雾传感器等作为我们设计系统的感知层，用于矿井环境数据的实时采集，感知层节点框图如图3 所示。

图3 感知层节点框图

■2.2 系统网络层

物联网的网络传输方式有很多，比如WiFi、蓝牙、Zigbee、NB-IOT 等，我们通过对矿井环境信息的复杂性、特殊性等，对物联网的这些传输方式进行对比试验，得出在我们设计的系统中Zigbee 无线传输方式是最适合我们的使用。Zigbee 无线传输具有自组网、低成本、低功耗、可靠及安全等特点。所谓的自组网技术就是在不需要外部网络的情况下，在矿井下面就可以组建Zigbee 无线网络传输系统；Zigbee 组网技术根据组网类型的不同提供了三种，分别是星形、树形和网状。根据矿井环境信息监测系统的设计，选择的是树型网络拓扑图的组网类型，具体的拓扑结构如图4 所示。

图4

树型网络由一个顶端协调器，下面有终端节点和路由节点，消息先往上传再往下传，整个网络是由协调器建立的，协调器的子节点可以是路由或终端节点。

■2.3 系统应用层

根据系统设计的要求，我们设计的系统应用层主要是人机交互这方面的内容，将传感器从矿井下采集到的环境信息，经过Zigbee 组网技术传输到我们的控制室，实现实时数据监测及预警，保障我们矿井的作业人员的生命安全。

3 系统硬件设计

■3.1 信息采集节点硬件设计

矿井信息采集节点主要由CC2530 微处理器、传感器采集电路等构成，如图5 所示。CC2530 主控芯片具有低功耗、低延时等特点，负责周期性地将传感器采集的数据上报到Zigbee 模块中。传感器部分参数表如表1 所示。

表1 传感器模块参数表

图5 节点采集电路框图

■3.2 zigbee 模块硬件设计

Zigbee 模块电路时基于CC2530 芯片来进行设计，CC2530 是TI 公司推出的一款芯片，里面包含了51 单片机的内核与Zigbee 技术，而且TI 提供了很好的Zigbee 协议栈以及解决方案。根据用户的使用环境需求，可以将一个Zigbee 模块设置为终端节点、路由器及协调器三种模式，再选择组网的类型。在本矿井环境监测系统中，选择的是树形组网类型。Zigbee 模块硬件电路图如图6 所示。

图6 Zigbee 模块硬件电路

CC2530 单片机相对于51 单片机来说，没有那么多IO口可以使用，但CC2530 单片机内部有着丰富资源，自带ADC 转换、PWM 波输出、两路串口通信等，通过寄存器配置，可以把普通的IO 配置成外设功能使用，为我们的设计提供了许多便捷，IO 口具体外设功能映射如表2 所示。

表2 CC2530 IO口外设功能映射表

根据我们使用传感器的特性及引脚定义连接，我们设计的传感器模块与Zigbee 模块硬件接口连接电路图如图7 所示。

图7 传感器与硬件接口图

矿井环境信息监测系统硬件主要是由Zigbee 模块来完成数据采集、组网、传输及控制。在编写代码时，我们只要时通道号、地址设置相同，在下载代码时在编程环境里选择对应的协调器、终端、路由选项下载到对应的Zigbee 模块就可以，最后协调器就通过串口把数据传输到控制中心的软件，进行显示。

4 分析与结论

为了验证我们设计的矿井环境信息监测系统的传感器数据采集信息、组网的及数据传输的可靠性、有效性等指标，我们在实验室放置不同的终端节点，对数据进行采集，通过放置路由节点来增加传输距离，在用户控制中心使用协调器汇总组网传输的数据，经过网络通信传输到我们的用户控制中心，下图是我们用户中心接到数据的界面，如图8 所示。用户可以根据应用环境的不同，设置对应的报警参数值，以保证作业人员的人身安全。

图8 用户控制中心界面

为了保障矿井下作业人员在井下复杂环境作业生命安全，我们提出并设计了基于Zigbee 矿井环境信息监测系统，此系统低功耗、自组网等功能解决了环境信息采集及数据传输的线路布线、没有手机信号不能传输数据等问题；矿井下作业空间小，环境复杂，我们的Zigbee 矿井环境信息监测系统使用Zigbee 自组网无线通信技术，通过测试结果显示，完全解决了整个矿井的环境监测区域，达到设计要求，保障作业人员的作业环境安全。