无线传感网在煤矿安全系统中的应用研究

李巧君，李 伟

（河南工业职业技术学院 计算机工程系，河南 南阳 473009）

近年来，随着我国经济的高速发展，工业生产对煤炭的需求日益增加，煤炭产量也屡创新高，然而各地煤矿瓦斯爆炸、瓦斯突出、有害气体泄漏、巷道渗水塌方等事故时有发生，导致巨大的人员伤亡和经济损失，煤矿安全生产状况令人担忧。分析事故起因，很大程度上是因为调度监控中心与矿下人员的信息沟通不及时，无法动态掌握井下各处瓦斯浓度、有害气体浓度、粉尘浓度、温湿度等信息，从而不能及时对潜在的危险情况做出预警和反应。

1 矿井环境中通信的特点

现有的煤矿安全监控系统中，特别是通信控制系统中在应用和管理过程中存在如下方面的特点和问题：

1）现有的监控系统多采用有线网络或者人工采集，设备安装的局限性大，布局不便，依赖性强，传感器节点位置相对固定，不能及时移动，而采煤工作区域在不断推进和改变，存在测量盲区。

2）井下巷道工作环境复杂恶劣，积水、潮湿、曲折，信号电缆易腐蚀，严重影响监控系统的可靠性与有效性。通信系统经常受到塌方、断电、爆炸、渗水等情况的干扰。需要使用具有自组织和自修复能力的网络，即使某一通信节点受损，系统还可以通过自愈手段重新选择路由，不影响正常通信。

3）煤矿安全生产监控系统中网络主要用于监测和控制，需要传输的数据量很小，对信号传输速度和网络带宽的要求不高，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗。网络节点容量要大，需要容纳大量的传感器终端设备，覆盖较大的范围。

4）现有系统使用过于复杂的无线通信技术，例如GSM、WiFi等，能耗过大，占用过多通信资源，容易造成浪费，安装维护成本较高且不易扩展。

2 ZigBee技术简介

2.1 概 述

ZigBee是一种方兴未艾的双向无线网络接入技术，具有工作距离短、网络复杂度低、功耗小、数据传输速率低、成本低、安全可靠性高、移动便携等特点。它是无线传感器网络的基础，在工业生产、军事国防、医疗卫生、智能交通、消费电子、智能家居等各种工作场景中感知、收集信息。

ZigBee技术工作于2.4G/868M/915 MHz的国际免执照ISM频段，传输距离为10-75米，典型距离为30米，特别适用于短距离无线通信场合。ZigBee的传输速率为250 Kb/s，发射功率仅为1毫瓦。相对于其他无线接入技术，ZigBee大幅度地简化了协议并且免收专利费。ZigBee的响应速度迅速，收到激励信号从休眠激活只需15 ms，设备连接进入网络只需30 ms[1]。网络容量大，组网灵活，支持多种网络拓扑结构。

2.2 ZigBee节点类型

ZigBee网络中包含两类设备：一种是完整功能设备（Full Function Device，FFD）。在ZigBee网络中，FFD可以在任何拓扑结构中工作，具有3种工作状态：承担了网络协调者的功能，可作为网络协调器（coordinator）；作为路由器（router）具有转发与路由能力；作为一个终端设备（end-device）可与网络中任何类型的设备进行通信。

另一种是简化功能设备 （Reduced Function Device，RFD）。它不能作为协调器和路由器，只能应用于星型拓扑结构中，与FFD通信，而不能与其他RFD通信。作为网络中的信号的源节点和目的节点，不能起到转发、路由的功能。FFD和RFD在硬件结构上相同但在网络层结构中有差异。在任何ZigBee网络中，都包含有FFD和RFD两种设备。

除此之外，ZigBee还支持网络主机或网关节点，起到与外部系统（Internet、WiFi）接口或协调与其他ZigBee网络的路由作用。

2.3 ZigBee网络结构

ZigBee协议支持3种网络拓扑结构，即星型结构（Star）、网状结构（Mesh）、簇树结构（Cluster tree），如图 1所示。 星型结构是一个辐射状的系统，协调器（FFD）提供组织网络和路由功能，终端节点（FFD或RFD）通过协调器完成通信，这种拓扑结构功能简单，主要用在智能家居等领域。网状结构中每个终端节点都可以同协调器直接进行通信，它通过无线网络连接可提供多种数据通道，一旦某一路径节点发生故障，则存在另一个路径可供数据通信，是一种高可靠性的网络，具有自组织、自修复的特征，主要应用于工业控制等领域[2]。簇树结构是由星型结构和网状结构结合形成的，各个子网内部都以星型连接，其主设备相互之间又构成网状结构连接在一起。

由于2.4 GHz频段有16个信道，每个网络协调器节点支持255个终端节点，ZigBee网络在单个网络中可以支持4 000个具有高可靠性的终端设备。

图1 ZigBee网络结构和节点类型Fig.1 Network structure and node type of ZigBee

3 基于ZigBee技术的煤矿安全系统实现

3.1 系统架构

将ZigBee技术和无线传感器网络相结合，应用到煤矿安全生产监测系统中，考虑到矿井下安全生产的要求和特点，实现实时动态地采集矿井巷道中瓦斯浓度数据。整个网络由分布于井下的若干个无线传感器终端节点、路由器节点、协调器节点和上位机组成，其体系结构如图2所示。

图2 网络体系结构图Fig.2 Structure diagram of the network system

协调器节点是ZigBee网络中的一种特殊的节点，拥有相对较强的处理器和较大的存储器空间，它能实现IEEE802.15.4所规定的所有功能，负责对路由/终端节点传输过来的数据进行处理，然后与外部网络相连，将数据发送给上位机。上位机与协调器节点通过光纤连接，实现对整个监控网络的管理功能。

无线传感器终端节点是一个小型嵌入式系统，负责传感和信息预处理，响应监控主机指令和发送数据。将协调器节点传来的命令信号转发给传感器，将传感器采集的数据转发给主节点，实现全双工通信[3]。传感器终端节点采用模块化的设计思想，由瓦斯浓度采集模块、微处理器模块、无线射频模块、电源模块四部分组成，结构框图如图3所示。

图3 网络节点硬件结构框图Fig.3 Schematic diagram of the network node hardware

1）传感器模块：将采集的瓦斯浓度信号经过信号调理电路调整为合适的电平后，送至模数转换器转变为数字信号，传送给微处理器模块；

2）微处理器模块：负责控制整个节点的路由管理、功耗管理等操作，存储和处理传感器采集的数据；

3）无线射频模块：负责与其他节点进行通信，交换控制消息和收发数据；

4）电源模块：采用微型纽扣电池供电，为传感器节点提供运行所需的能量。

传感器节点在井下固定放置，每个节点都有16位的局部地址，作为唯一的ID，系统可以由此确定每一个节点在矿井内的地理位置。

为了能够灵活地扩展传输距离，并且保证系统有足够的冗余保证自修复，监控系统采用Mesh网络结构。因为ZigBee Mesh是自构型网络，其节点间是完全握手方式，使得信号可准确地到达目的节点。即便最优的通信路径发生故障，网络会在冗余的其他的路径中重选路由而避免中断，特别适合于矿井坑道内复杂多变的环境[4]。

系统工作过程如下：分布于巷道中的各传感器节点每隔一段时间定时采样收集瓦斯气体浓度信息，经由路由节点传至协调器节点，再由该节点传入以太网，接收的数据通过光纤传送至监控中心的上位机，当某一节点上报瓦斯浓度值超出预警范围，系统自动报警并做出响应。

3.2 系统硬件设计

本系统的硬件设计必须要兼顾系统安全性和可靠性。全部采用低功耗器件，优先选用专业矿下传感器，防爆且灵敏度高。

无线射频模块，当前业界各大芯片厂商纷纷推出ZigBee芯片，具有代表性的有CHIPCON的CC2XXX系列、JENNIC的 JN5139、FREESCALE的MC13192系列、EMBER的EM250和MICROCHIP的MJ2440五种。本设计选用CHIPCON公司的低功耗射频收发器----无线单片机CC2530F256芯片作为终端和协调器的主控芯片，它是第一个真正的ZigBee片上系统解决方案。集成了一个增强型8051的MCU和2.4 GHz射频前端电路，芯片内置256K可编程存储器，能够以非常低的成本建立强大的网络节点。

瓦斯传感器采用KGS-20低功耗可燃气体传感器[5]。它根据催化燃烧效应的原理工作，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，电路如图4所示。KGS-20为专业矿用元件，具有极高的灵敏度和极快的响应速度且体积小，耗电低，应用电路简单。

图4 瓦斯传感器电路图Fig.4 Gas sensor circuit diagram

基于煤矿井下特殊应用，网络节点采用矿井专用防爆蓄电池供电。此外，可以添加能量监测模块以便进一步控制系统功耗。

3.3 软件设计

以硬件模块为基础，软件主要实现传感器数据采集与处理、无线收发、阈值设定、节点定位、节点自动加入网路、数据显示、发送接收数据等功能[6-7]。

传感器节点的软件工作过程为：首先进行软硬件初始化，包括相关变量初始化、MCU初始化、网络初始化等。初始化完成后，选择ZigBee网络，联网成功进入主循环，开启定时器，中断超时进行数据采样，采样数据经AD转换后通过SPI总线发送至MCU模块，ZigBee模块将采集数据通过无线网络发送至协调器，如果收到命令，进行处理，否则就进入下一次循环。

协调器节点的软件工作过程为：协调器节点启动，创建ZigBee网络，然后进入主循环，等待传感器节点加入。当传感器节点上电后，会自动查找空间中存在的ZigBee网络，遇到空闲网络即可加入，并把该节点的物理地址发送给协调器。协调器接收传感器节点的数据后，测量数据，然后将测量结果发送给上位机。

4 结 论

设计了一种基于ZigBee技术的低功耗井下瓦斯浓度监测系统，通过使用CC2530芯片完成了传感器节点、协调器节点的硬件与软件设计，实现了数据的采集和无线传输。该系统能够及时发现隐患并上报监控中心，以迅速采取措施，减少事故发生的可能性，降低人员的伤亡，具有实用性。

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