基于ZigBee的矿井安全管理系统设计

2012-01-13

电子世界 2012年17期

建设现代化本质安全型矿井，安全管理是最为重要的一个环节，“安全第一，预防为主”是的安全生产建设的工作准则。对煤矿井下人员进行实时跟踪和定位，可以消除人为安全隐患，在事故发生时，还可以为抢险救灾提供决策依据；对井下环境条件的实时监测监控可以及时动态掌握井下作业人员的作业环境情况，预防作业环境的恶化。

传统的矿用井下监测多采用有线方式传输信号，繁杂的布线给电源供给、信号传输和管理维护造成了极大的不便。无线传感器网络节点容量大，各传感器终端节点能够协作地实施监测、感知和采集环境信息，安装方便，管理简单，可以实现井下安全监测的无缝覆盖，还可以跟随采掘面同步延伸，减少了布线难度，降低了成本，提高了数据传输的安全性和稳定性。

1.ZigBee技术

1.1 ZigBee技术简介

ZigBee射频通信技术以IEEE 802.15.4标准为基础，工作在2.4 GHzISM频段，传输速率为10-250kb/s，传输距离可达10-75m。ZigBee以省电、可靠、低成本、大容量等诸多优势，在无线通信领域得到了广泛的应用。本系统采用的CC2430芯片是TI公司推出的基于2.4GHz ZigBee技术的产品，其内部集成了完整的ZigBee功能和超工业标准8051内核，可在内部运行Z-Stack软件中的ZigBee-2006协议栈。

1.2 ZigBee技术的主要特点

ZigBee技术在井下安全管理应用中的优势在于以下三个方面：

(1)网络容量大

ZigBee技术可以采用星状、片状和网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可以管理254个子节点；同时主节点还可以由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网络。大容量性允许在有限的井下空间布置较多的传感器节点，并分层管理，保证数据采样的丰富和管理的有效。

(2)具有自组织能力

煤矿井下受地质条件的影响，通常情况下传感器节点需要被放置在没有基础设施的地方，这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

(3)适用于低速率、小数据量传输

井下安全管理所需传输的是数据量较小，主要是终端传感器节点的状态信息，同时对传输速率要求不高，适合ZigBee网络的典型应用。

(4)可实现动态组网

煤矿井下环境变化较多，由于片帮或电源影响，传感器节点可能出现故障或失效，随着巷道的掘进，新的传感器节点会加入等，都会造成网络拓扑的改变或网络组织的变化。ZigBee网络具有动态组网的功能，可以即时实现组网，避免数据传输的中断。

2.系统总体设计

本系统分为井上监控管理系统平台和井下无线通讯网络两部分。

井上部分通过CAN总线实现对井下数据的收集、管理、分类和分析。实时采集传感器终端节点的信息，包括人员定位点、瓦斯浓度、温度、湿度等；对采集到的数据进行分类、存储，计算井下人员路径，分析工作环境是否良好，供管理人员进行读取。

井下无线通讯网络的组成主要由移动终端节点、固定网关关节点组成，各组成部分主要性能如下：

(1)移动终端节点：下井人员随身携带的无线标志卡，记录下井人员的个人信息，包括个人身份ID、位置信息等，接收中断信号后发射一定频率的射频信号给管理节点。

(2)固定网关节点：实现对标识卡上数据的采集，同时有瓦斯浓度传感器，温湿度传感器模块，实时监测周围环境的数据。同时也是ZigBee网络的发起者和维护管理者，固定节点之间可以实现数据的相互发送接收，通过CAN总线和井上管理平台进行连接，将数据转发至监控中心。

图1 传感器节点原理图

3.网络传感器节点硬件设计

ZigBee终端节点主要由电源模块、数据采集模块及无线通信模块及必要的外围电路组成。传感器节点的原理图如图1所示。

3.1 各节点模块设计

下井人员随身携带的无线标识卡主要记录井下人员的个人信息，如身份ID、路径信息等，仅需最基本的处理器芯片配外围电路即可实现；固定管理节点承担采集移动终端节点信号及温湿度、瓦斯传感器信号的任务，因此工作任务量较大，比移动节点多出传感器模块，采用固定安装，由低压信号电源和电池备用电源供电，负责井上与井下的数据通信，通过有线和无线两种方式将数据发送给信息处理平台，同时承载其他网关节点的数据信息转发。

3.2 处理器芯片

网络节点处理器芯片采用CC2430，该芯片是TI公司推出的基于2.4GHz ZigBee技术的产品，片上集成了CC2420射频模块以和增强工业标准的8051MCU，内置了ZigBee协议栈，可方便的实现数据的采集、通讯和处理。

3.3 CAN总线

为了更好的解决井上信息处理中心与井下无线基站之间的数据传输通道问题。本设计采用CAN总线方式。CAN采用了新技术及独特的设计，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN的双向通信弥补了传统半双工通信的缺陷，不仅能够实现位置信息的上传，当需要时还可以实时修改井下某监控接点信息。

图3 网关节点工作流程

4.软件设计

4.1 ZigBee网络组网

根据现场实际需要，沿巷道每隔一定距离在巷道顶部设置一个基站，同时在其他需要定位和网络连接的地方，也安置一个基站；为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有节点均使用抗干扰的直序扩频通信方式。

在软件设计方面，终端节点在进行通信前，要进行有效的初始化，在初始化过程中，网络协调器发出主动请求连接移动节点的信令，在移动节点成功接收和验证一个数据帧和MAC命令帧后，向网络协调器返回确认帧，移动节点的ZigBee模块处于休眠状态。初始化结束后，节点处于从工作模式，等待上级节点的中断激活。网关节点初始化后对整个网络进行地址分配等系统配置，配置完成等待CAN总线的数据中断，并实时的将采集到的数据进行上传。移动终端节点和网关节点的工作流程如图2和图3所示。

4.2 井上控制中心管理系统设计

控制中心是整个系统的管理中心，对网关节点所抄集上来的数据进行记录、存储、处理等。这个部分主要的设计是人机界面设计和数据库的建立，管理者可以方便快捷的进行数据查询、系统监测、指令下达等管理。控制中心可以通过Internet网络或GPRS、3G网络等与外网相连接。实时监控系统是整个智能化监控系统的基础，控制中心的计算机通过CAN接口标准与井下的固定监控点进行数据传输。

监控系统功能主要为：完成监控点的信息采集、实时处理和存储。从井下上传的信息不但包括各类有害气体的浓度数据，还包括井下工作人员和设备的位置信息，这些数据经过压缩后都被保存在数据库中，信息处理平台主要负责各网络传输节点所发信息的存储，并能对信息进行分析处理和显示，将信息以网络形式供其它有权限的成员查阅。