Zigbee无线传感网络在煤矿瓦斯监测系统的设计实现

孙婷婷

（1．合肥工业大学，安徽 合肥 230009；2．淮北职业技术学院，安徽 淮北 235000）

0 引言

随着经济额发展，现代化建设步伐的加快，能源的需求量加大，对煤炭的开采量也日益增大。煤矿事故频发，国家对煤矿的安全生产提出了更高的要求。相应地，煤矿安全监控技术也在不断改进。淮北现有的多处煤矿采用了数字化的煤矿信息技术，对井下瓦斯气体的监控都采用有线的方式。但由于井下的地形复杂，存在狭窄和异形的巷道，铺设有线线路非常困难。井下环境常年潮湿，线路容易腐蚀，维护工作繁重。采煤面随开采的进程不断变化，采煤面是工作人员密集的地方，更需要准确的瓦斯数据保证工作环境的安全，对于瓦斯浓度的实时监测有线的方式很难实现。将无线传感网络应用到井下瓦斯监控中去的构想正解决了这一难题。

1 无线传感网络及zigbee技术

无线传感网络是传感器技术、嵌入式技术、通信技术、网络技术等飞速发展孕育出的产物［1］。无线传感网络一般通过在监测的范围内随机投放一些传感器的方式，利用无线电波将它们连接起来，各个传感器形成一个自组织、多跳的无线网络。无线传感网络一般由传感器节点、汇聚节点、任务管理节点构成，典型结构如图1所示。在需要监测的区域分布传感器用于采集各类数据信息。比如湿度、温度、压力、浓度、噪声，等等。

Zigbee技术作为一种新兴的短距离无线双向通信技术，因为其成本低、损耗小、时延短、安全性高、灵活性好等特点，而受到关注并得到广泛应用。本论文讨论的就是基于zigbee技术的无线传感网络在井下瓦斯监控系统的应用方案。

2 系统整体架构设计

根据矿井地形复杂多变的实地考察以及相关技术分析。设想井下采用无线传感网络监测进行瓦斯浓度数据的实时采集和传输。但无线电波会受到井下多种因素的干扰，无线传感网络以多跳的形式通信，网络稳定性不高。综上，本论文提出井下瓦斯浓度的整体监控采用无线传感网络和有线网络相结合的方案。监测系统总体设计模型如图2所示。

图1 传感网络体系结构

图2 无线、有线网络结合的综合监测系统模型图

3 系统硬件设计

3．1 传感器节点设计

传感器节点作为无线传感网络的核心，由传感器模块、通信模块、控制处理模块、能量存储模块等四大模块组成［2］。其节点结构如图3所示。

图3 传感器节点结构

瓦斯监测系统中节点的处理器均选用适用于zigbee技术的TI公司生产的CC2430芯片。该芯片工作在免费的2．4GHz全球通用频段上，其内部集成了加强的8051处理器、128Flash内存、8KbRAM和RF射频前端，在收发数据的同时进行简单的数据处理。传感器采用电池供电的方式，数据的采集传输尽可能降低能耗，CC2430芯片低耗能的优点正满足传感器节点的要求。

3．2 传感器选型

目前，瓦斯气体监测使用的传感器种类很多。大致分为：红外瓦斯传感器、热催化瓦斯传感器、光纤瓦斯传感器等等。为了保证采集瓦斯数据的准确性，我们选择依据热催化原理制成的瓦斯传感器。这类传感器主要工作在3．0V电压下，监测瓦斯的敏感元件是电阻丝［3］。当传感器通电后表面产生热量，遇瓦斯气体产生热催化反应，阻值变大造成电桥电路失衡输出电压，瓦斯浓度增高电压随之增加。由此将瓦斯浓度转变为相应的电信号，放大后的电信号经A／D转换器变成数字信号发送出去经无线网络传输。具体传感器结构如图4。

图4 瓦斯传感器结构设计图

4 系统软件设计

基于zigbee技术的无线传感瓦斯监测系统中的节点大致分为终端节点、路由节点和汇聚节点三种类型。无线传感网络以数据为核心，主要依靠节点进行数据的采集、传输、分析和处理的工作。因此节点的软件设计是系统整体软件设计的核心，决定着监测系统整体性能的好坏［4］。根据节点的功能，三类节点的流程图设计如图5。

终端节点主要负责采集井下的瓦斯的浓度，并将数据进行简单的处理；路由节点充当网络中路由器的作用。主要完成路由选择和消息转发等工作；汇聚节点整合各节点传输给它的数据，并与井下大巷道的有线以太网相连，进而连接地面上的监测系统。无线传感网络是动态的，一些毁坏的传感器节点可以自行退出网络，新添加的传感器节点可以自行加入网络［5］。在井下无线传感网络所覆盖的范围内，各节点可自行出入网络，因此需要设计动态的管理方案，确保无线传感网络的自发重组。动态网络设计方案如图6。

图5 节点流程图

图6 动态网络管理流程图

5 总结

本论文在讨论了无线传感网络技术和Zigbee技术的基础上，分析现有的有线瓦斯监测方法的不足，提出了一种基于Zigbee技术的无线传感网络和有线以太网相结合的设计方案。该方案能实现井下瓦斯数据的实时监测，对于煤矿安全生产有着重要的意义。在未来无线传感网络发展的基础上，对于井下瓦斯监测系统的设计将更为完善．

［1］郭雅萌，王建新，杨世凤，等．网络监控的实时性研究［J］．国外电子测量技术，2006（1）．

［2］李继林．煤炭安全监控系统的现状与发展趋势［J］．煤炭技术，2008，22（11）．

［3］瞿雷，刘盛德，胡咸斌．Zigbee技术及应用［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2007．

［4］王玉芬，王治斌，李长江．无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用［J］．煤炭科学技术，2007（6）．

［5］陈旭，方康玲，李晓卉．基于 CC2430的ZigBee数据集系统设计［J］．湖南工业大学学报，2008，22（6）．