基于ZigBee的煤矿监控系统的设计

2013-04-14山东科技大学信息与电气工程学院高正中李志文王晓慧梅守滨

电子世界 2013年16期

山东科技大学信息与电气工程学院高正中李志文王晓慧梅守滨

1.引言

现有的煤矿安全监控系统存在很多问题：(1)监控节点位置相对固定，存在测量盲区；(2)采用有线网络，布局不便，成本较高且不易扩展；(3)定位缺陷，主要采用GPS定位技术，其功耗大、成本高且抗干扰能力不强；(4)接口兼容性差，通信协议不完善。所以，有线定位网络难于达到动态全方位监控的目的[1]。

2.系统结构与工作原理

针对以上煤矿安全监控系统存在的问题，本文提出了一种基于ZigBee的井下人员定位和瓦斯监测系统。该监控系统包括移动节点、数据采集节点、井下数据采集总站和上位机。系统结构图如图1所示。

每个移动节点都有唯一的ID，矿工随身携带便携式移动节点在巷道里活动，移动节点每隔一定时间将ID信息发送给附近的数据采集节点。数据采集节点固定在巷道里的相应位置，定时将接收到的ID信息和传感器检测的瓦斯浓度数据发送给井下数据采集总站。数据采集总站将接收的数据通过光纤传送至井上监控室的上位机。实现矿工人员的时时定位和瓦斯浓度的时时检测。

3.硬件电路设计

由于井下巷道纵横交错，环境复杂，有时巷道长达数公里，这给井下各个数据采集节点发送信息带来了很大的困难。所以，本系统各个数据采集节点之间和数据采集节点与数据采集总站之间的信息传输采用无线网络ZigBee技术。而CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的真正的片上系统。其结合了德州仪器RF业界领先的黄金单元ZigBee协议栈，业界标准的增强型8051 CPU，系统可编程闪存，8KB RAM和许多其他优良性能。能以较低的成本建立强大的网络节点[2]。

3.1 移动节点电路设计

移动节点即为井下矿工的身份标签，由于井下人员监测无需精确定位，只需确定其大致范围，所以采用通讯距离为10米左右的新型低功耗射频无线收发模块NRF24L01。该模块工作于2.4GHz-2.5GHz ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调节器等功能模块，其输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

3.2 数据采集节点电路设计

根据巷道的结构不同，每隔一定距离(不可超过CC2530的通讯距离，一般不超过400米)将数据采集节点固定在巷道墙壁上。数据采集节点采用CC2530、NRF24L01和瓦斯红外气体检测传感器MH-440V/D构成的模块。硬件电路图如图2所示。

由图2可知，数据采集节点模块的NRF24L01与移动节点中的NRF24L01相互通信，获得矿工的人数、身份等信息，传感器MH-440V/D检测此数据采集节点附近的的瓦斯浓度。通过串口将矿工人员信息和瓦斯浓度等数据传送给集成芯片CC2530。CC2530可以通过编程设置其ID，利用自身集成的ZigBee协议，将井下的各个数据采集节点组网，把采集到的信息传送至数据采集总站。

图2 数据采集节点硬件电路图

3.3 数据采集总站电路设计

数据采集总站位于井下，采用CC2530无线模块，接收巷道内各个数据采集节点发送来的数据，利用光电转换器将电信号转化为光信号，通过光纤将采集的数据传送到井上监控室。硬件电路图如图3所示。

4.软件设计

ZigBee网络由一个协调器、多个路由器和多个终端设备组成。适当地增加各级路由器的数量能够增加整个网络的数据传输距离和传输质量。此外路由能够自愈ZigBee网络，如果某个无线连接断开，路由器能自动寻找一条新的路径避开断开的网络连接，这极大提高了网络的可靠性。请见参考文献[3]。图1中数据采集节点1即为一级路由器，可以根据各个矿井结构设置不同的ZigBee网络结构，达到最佳的性价比。

本系统借助Keil c51对NRF24LE1进行编程，将矿工身份信息写入移动节点内的NRF24LE1芯片，使各个移动节点具有唯一的ID信息。

借助IAR EW8051软件开发平台对CC2530进行编程。目前CC2530中的ZigBee协议的底层驱动已十分成熟，可直接引用驱动代码对系统参数进行设置[4]。数据采集节点的软件流程图如图4所示。