基于ZigBee技术的矿井安全综合监测系统设计

朱理望,杨柳,李高鹏

（湖南科技大学计算机科学与工程学院,湖南湘潭411201）

安全生产是煤炭行业永恒的主题,煤矿矿井地质条件复杂,生产条件恶劣,以往的大多数监控系统以有线网络结构为主,在井下部署困难,设备不具移动性,可扩展性较差,很难全面监测煤矿所有区域.本文将无线传感网络（WSN）技术和现场总线（Field-Bus）技术相结合,研究设计了一种基于ZigBee无线通信技术的的集环境检测、设备监控与人/车定位于一体的矿井安全监测系统.系统以无线传感器网络为支撑,采集煤矿井下环境参数和井下人/车定位信息,并对井下主要煤机设备进行监控,所有监测数据经监测分站通过CAN总线骨干网络传输至地面监控中心,以实现对矿井井下各区域环境参数的全面监测、煤机设备的控制以及井下人/车的定位与管理.

1 监测系统的总体研究与设计

1.1 总体研究与分析

矿井安全监测系统的主要目标就是为了有效保障井下员工的生命安全和煤矿企业的安全生产[1],煤矿矿井井下的特殊环境,给设备和电缆带来部署不便和安装维护困难,随着电子技术和通信技术的不断进步和发展,对井下各种环境参数的监测已可用采取无线通信网络技术的解决方案[2].

ZigBee是近年来发展起来的一种新兴短距离无线传输协议标准,与其他几种短距离无线传输协议如蓝牙（BlueTooth）、Wi-Fi、IrDA相比,主要具有以下几个优势[2].

（1）功耗低.ZigBee网络节点设备工作周期较短,收发信息功率低,且采用了休眠模式.

（2）传输可靠,抗干扰性强.采用DSSS扩频通信方式,与RFID的宽带通信和433～915 MHz的FSK通信相比,具有抗干扰性强的特点.

（3）产品成本低.由于ZigBee协议栈设计简练,因此它的研发成本相对较低,软件实现比较简单.

（4）速度快,距离远.ZigBee协议2.4 GHz物理层,其速度为250 kbps；传输距离可达30～70 m,如果扩大信号,传输距离可超过100 m.

因此,对于无线通信网络的构建,可采用ZigBee无线通信协议；由于矿井内不利于长距离无线传输,因此对于主巷道和主采区的通信方式则宜于采用有线通信方式,可选用已广泛应用到交通、国防、工程、工业、安防等众多领域的CAN总线通信协议[3].CAN是由德国BOSCH公司提出和最早成为国际标准的一种现场总线规范,具有通信距离远和传输速度快等特点[4],最远传输距离10 km,最大通信速率1 Mbs,增加中继器完全可以覆盖整个矿井区域.

1.2 综合监测系统的组成

按照国家相关行业标准,煤矿安全监测与监控系统主要由监测分站、监控主机（监控中心站）、甲烷断电仪、传感器、传输接口、断电控制器等设备、模块与部件组成.ZigBee通信协议定义了3种角色的节点[5].

（1）ZigBee协调器（Co-ordinator）,负责启动和配置网络,是网络的中心节点,为协议定义的全功能设备（FFD）；

（2）ZigBee路由器（Router）,主要实现消息和路由转发,为全功能设备；

（3）ZigBee终端设备（End Device）,也称为传感节点,完成具体功能的执行,即可为全功能设备也可为半功能设备（RFD）.

矿井安全综合监测系统结构设计如图1所示.

图1 监测系统的总体结构Fig.1 The overall structure of the supervision system

系统主要由地面监控中心站、井下监测分站（含ZigBee网络协调器）、无线传感器节点、路由器节点（汇聚节点）、ZigBee电子标签,以及断电控制器（也称断电仪）等设备组成.智能数字通信接口可以是CAN-PCI接口卡、CAN-USB接口卡或者CAN-Ethernet接口卡.

无线传感器和ZigBee标签为ZigBee终端设备,传感器的种类可包括瓦斯（甲烷）体积分数、CO体积分数、温度、湿度、粉尘质量浓度、风速、水位、渗水水压、位移、应力和负压等,以实现井下环境参数的全面监测；路由节点也称为参考节点,其位置通过人工配置,负责聚合子传感节点采集的环境信息、转发其他网络节点的数据、并辅助于移动节点以获取人/车所处的坐标[6]；ZigBee电子标签为移动节点,这些移动标签的位置信息通过路由器节点传至ZigBee协调器以实现对井下人员和车辆的定位与跟踪.

2 监测分站的硬件设计

2.1 ZigBee网络协调器的实现

井下监测分站是整个矿井安全监测系统的核心,根据监测系统的总体设计方案,监测分站包含实现ZigBee网络中协调器功能的硬件.

ZigBee网络中协调器、路由器和传感器3种节点的通用模块结构框图如图2所示,这些模块可根据节点的实际需要进行取舍.

图2 ZigBee节点的模块结构Fig.2 Block diagram of ZigBee nodes

根据ZigBee节点的模块结构和监测分站的功能要求,除无线通信模块之外,ZigBee协调器的其他模块完全可以和实现监测分站其他功能的电路模块共用,将无线通信模块和监测分站其他功能模块连接在一起,就可组成一个包含ZigBee协调器的一体化的监测分站设备.

2.2 监测分站的硬件结构

根据系统的总体设计方案和监测分站的功能要求,监测分站的硬件可由微处理器（MCU）、网络通信接口、设备监控电路、人机对话功能电路、电源电路等部分构成,组成结构如图3所示.

图3 监测分站的硬件结构Fig.3 The hardware construction of the substation

微处理器采用内嵌RAM、EPROM和EEPROM的单片机,网络通信接口包括与有线通信骨干网相联的CAN总线接口、与井下ZigBee网络通信并实现ZigBee协调器功能的无线模块,设备监控电路包括对井下设备的监测与控制电路,人机对话功能部件包括按键和LCD显示器.ZigBee网络实现井下环境参数的监测和人员位置信息的获取,监测分站通过CAN总线的有线通信方式向井上监控中心站传递环境监测、人/车位置以及煤机设备状态信息,而监控中心站通过监测分站实现对井下信息的采集与设备的控制,本地煤机设备的断电闭锁与解锁可由监测分站独立完成,人机对话功能部件则用于监测分站相关参数的设置和改写.

2.3 主要单元电路设计

2.3.1 CAN总线通信接口 CAN总线组成井下通信骨干网,它是监测分站与井上中心站,以及监测分站之间相互联系的桥梁,分站控制器板的CAN总线接口可采用CAN控制器SJA1000、CAN收发器PCA82C250及光电隔离芯片6N137组成CAN总线的接口电路.CAN独立控制器SJA1000的初始化设置和报文收发处理由分站控制器板的微处理器MCU（STC15F2K60S2）进行,CAN收发器PCA82C250用来建立CAN总线通信协议的物理层,以实现数据和传输电平之间的相互转换,CAN总线接口的电路结构设计如图4所示.

图4 CAN总线接口的电路结构Fig.4 The circuit structure of CAN bus interface

SJA1000的接收发送端口RX0、TX0通过高速光耦器件6N137与PCA82C250的相应端口相连,6N137的供电采用相互隔离的VCC和VDD两路电源,这样就实现了总线上各CAN节点间的电气隔离,从而有效地消除了传输网络和节点之间的相互干扰,确保了CAN节点的稳定性和安全性,极大地提高了接口电路的抗干扰能力.

2.3.2 ZigBee网络无线通信接口 ZM2410系列为广州致远电子研发的2.4 GHz的Zigbee无线通信模块,该模块的核心电路是美国CEL公司的单芯片ZigBee收发器ZIC2410,是一款真正意义上的ZigBee片上系统,集成了ZigBee无线RF收发器和一个内嵌Flash空间的51CPU核,同时还带有GPIO、UART和音频解码器.采用ZM2410模块,只要将微处理器的UART接口与模块的UART接口的数据接收端（RXD）与发送端（RXD）交叉连接,辅之以少量的外围器件,即可使监测分站主板具有ZigBee无线通信功能.另一方面,实现ZigBee组网功能的软件程序可以通过ZM2410模块的UART接口,用ISP方式下载到ZIC2410芯片内的Flash编程存储器,从而使ZM2410模块成为一个ZigBee协调器节点.微处理器STC15F2K60S2与模块ZM2410DE连接电路如图5所示.

图5 微处理器与ZM 2410模块的连接Fig.5 Connection of MCU and ZM2410 module

2.3.3 设备状态的监测电路 为了保障井下煤机设备的正常运行,必须对运行状况进行监测,并适时进行关闭和重启控制,因此监测分站应包含设备状态监测和继电器控制电路.设备的的运行状况相关信息一般由频率信号表示,设备状态的监测电路设计图6所示.

图6 矿井设备状态的监测电路Fig.6 Mine equipment condition monitoring circuit

3 监测分站的软件设计

3.1 CAN接口的通信程序

CAN总线接口主要负责监测分站与井上中心站的通信联系,监测分站通过它向监测中心站上传所收集的环境监测、人员位置和设备状态信息,反过来,监测中心站则又要通过它向监测分站下达环境参数和人员位置数据的采集命令,以及对煤机设备的控制命令.

CAN接口的通信程序主要包括CAN总线控制器SJA1000的初始化和CAN总线消息（报文）数据包的收发.CAN总线消息数据包的接收过程：控制器SJA1000收到报文后先通过验收滤波器再放入接收FIFO缓冲中,并产生一个接收中断并将状态寄存器的接收缓冲器状态标志位置位.微处理器MCU进入中断处理后,将报文读入到自身的RAM存储器,然后置位SJA1000的命令寄存器的释放缓冲区标志以释放缓冲器.由于分站接收到的报文的第一个字节代表井上监控中心发布给监测分站的命令码,因此,在监测分站微处理器接收到报文后将立即转入执行相应命令的处理.

3.2 ZigBee协调器功能的程序设计

协调器的功能主要由ZM2410无线通信模块来实现.将ZigBee组网的程序通过ZM2410模块的UART接口,下载到该模块中ZIC2410芯片内的Flash存储器,从而就可使ZM2410模块实现ZigBee协调器节点的功能.作为上位机（即分站板的MCU）和ZigBee无线网络之间通信的桥梁,一方面,协调器通过ZM2410模块中的RF接收器,接收ZigBee网络中无线传感器节点发送的数据,再通过模块的串口上传给分站板的MCU；另一方面,分站板的MCU可以通过串口向协调器（无线通信模块）发送命令,如“开始采集”命令,协调器收到后再通过模块中的RF发送器发送数据请求给无线传感器节点[7].同时,协调器作为网络的第一个节点设备,还将负责网络的建立和参数配置,组建网络的两个步骤主要是网络初始化及节点加入网络[8],协调器节点程序的流程设计如图7所示.

图7 协调器节点功能程序流程Fig.7 Process flow of the coordinator program

3.3 监测分站主程序

监测分站主程序的任务是完成系统和通信接口的初始化；向ZigBee网络协调器发出采集环境参数测量和人员位置信息的指令；处理井上监控中心通过CAN总线送达的煤机设备控制命令；独立进行对井下煤机设备的周期巡查与控制；向监控中心上传ZigBee网络采集的环境测试数据、人员位置信息和井下设备状态信息,处理流程如图8所示.

图8 监测分站主程序流程Fig.8 The process of the substion program

4 性能测试与验证

在完成了监测分站（含ZigBee协调器）和智能瓦斯传感器节点的设计制作后,为了验证监测系统和ZigBee无线传感网络的总体特性和主要功能,组建了一个由PC机、USB-CAN接口卡、监测分站电路板、智能瓦斯传感器节点等设备和模块构成的模拟测试环境,如图9所示.其中（1）为USB-CAN接口卡,一端通过USB电缆连接PC机,另一端通过CAN总线信号线连接监测分站板；（2）为含ZigBee协调器的监测分站板；（3）为智能瓦斯传感器等节点,通过ZigBee协议与监测分站构成无线通信网络.通过模拟测试环境,对监测分站与PC机的CAN总线通信、ZigBee网络的数据采集、智能瓦斯传感器节点的浓度测量等设备的主要功能进行了验证.

图9 模拟测试的场景照片Fig.9 A photo of the simulation test scene

经测试、验证与分析,系统、设备和节点的各种必备功能均已正常实现,达到了设计技术要求.智能瓦斯传感器参数的监测结果在监测系统上位机上的显示界面如图10所示.

图10 监测系统上位机上的监测结果显示界面Fig.10 The display interface on the upper computer

5 小结

本文通过系统性的分析与研究,构建了一种基于ZigBee技术的具备环境检测、设备监控与人/车定位功能的矿井综合安全监测系统的总体框架.然后根据系统的结构和功能要求,完成了监测分站的软硬件设计与开发.最后经由PC机、监测分站和智能无线传感器等设备而搭建的模拟工作环境测试验证,监测系统网络、分站设备和无线传感器节点的主要功能符合设计技术要求.

[1]张国盛,林安栋.矿井监测监控系统的发展历史及趋势[J].煤炭技术,2009,2（28）：8-9.

[2]骆科学.基于ZigBee的无线传感器网络节点在矿井机车运输监控系统中的应用研究[D].青岛：山东科技大学,2010.

[3]Bruno A,Nicolo S.CANbus networked sensors use in orientation tools for the visually impaired wired versus wireless technology[J].IEEE Instrumentation&Measurement Magazine,2008,1（1）：49-52.

[4]Robert BG.CANSpecification V2.0[EB/OL].[2010-04-12].http：//www.semiconductors.bosch.de/pdf/can2spec.pdf.

[5]沈广利.基于ZigBee矿井无线定位系统[D].哈尔滨：黑龙江大学,2011.

[6]刘洋.基于物联网的煤矿井下环境监测及人员定位系统的设计与实现[D].北京：北京交通大学,2011.

[7]杨春华.基于ZigBee技术的无线网络协调器的研究[D].成都：西南石油大学,2011.

[8]徐健,杨珊珊.基于CC2530的ZigBee协调器节点设计[J].物联网技术,2012,2（5）：55-57.