基于无线传感器的矿井通风测试系统及软件开发

杨艳国 王 祎 周新雨

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新，123000)

·机电与自动化·

基于无线传感器的矿井通风测试系统及软件开发

杨艳国 王 祎 周新雨

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新，123000)

基于传统通风阻力测试方法精度低且操作复杂的缺点，提出了一种以无线传感器网络技术为核心的矿井通风多参数无线测试系统。重点对系统中的硬件和软件进行了设计。硬件方面是将CC2530芯片作为控制处理器的核心，并且把51单片机与RF射频技术融合为一体，用MAX232与PC机实现数据的通信；软件方面是在Z_TACK通信协议栈的基础上，利用C语言来编写核心控制程序。该系统不仅实现了实时监测井下一段巷道内2点的温、湿度和气压值，而且能真正实现矿井通风阻力测试的自动化、精确化、网络化。

矿井通风阻力 无线传感器 测试系统 硬件设计 软件设计 监测 传输模块

《煤矿安全规程》规定：“新建的矿井必须要进行一次矿井通风阻力的测定，以后每三年最少测定一次”[1]。通常情况下，常见的通风阻力测定方法主要包括压差计法和气压计法。前者测定的阻力精度较高，但是操作复杂；而气压计的测定精度较差且受井下环境的影响较大。国外对于井下的通风阻力测定的研究相对比较成熟，在矿井通风系统中有计算机的控制系统等[2-3]，而国内的研究人员也提出了利用巷道的风门等测量巷道通风阻力的一些方法[4-7],然而对整个矿井的通风阻力的测定工作还不够完善，无法实现全矿井的通风状态的实时监测。

本研究在前人对通风阻力测定研究的基础上，研究出一种新的矿井通风阻力测试系统，此系统能够根据无线通信的技术来测试井下的温湿度等相关参数，且可以同步进行计数，大大减少了传统通风阻力测定的复杂性和不确定性。

1 系统工作原理

气压计同步法即为同一型号的气压计放置在一段巷道的始端和末端且在同一时刻读数。根据矿井通风阻力测定的原理，基于气压计同步法[8-9]，在无线传感器网络技术的基础上，通过矿井通风多参数无线测试系统，在井下巷道的始端和末端同时测量相关参数，显示在测试装置的LCD中，实现真正的同步。

基于气压计同步法的矿井通风阻力公式为

(1)

式中，hrij为通风阻力,Pa；hrij表示2测点间的通风阻力，Pa；hvi、hvj分别表示测点i、j的动压值，Pa；k′、k″分别表示气压计Ⅰ、Ⅱ的校正系数；hi′、hj′分别为气压计Ⅰ在测点i、j的读数，Pa；hi″、hj″表示与hi′、hj′对应时间气压计Ⅱ的读数，Pa；Zi、Zj分别表示测点i、j的标高，m；ρij表示测点i、j间空气密度的平均值，kg/m3。

使用该矿井通风多参数的无线测试系统，可简化矿井通风阻力的计算。公式为

(2)

该方法一方面使气压计同步法得到简化，另一方面在一定程度上使得测试精度提高。

该系统采用的是拓扑结构[10]，如图1所示，主要包括主、从矿井通风无线测试装置以及中继路由节点，主矿井通风参数仪在矿井内作为一个协调器，建立网络结构，使节点之间进行绑定，并接受从测试仪的数据，显示与LCD上；而把从测试仪看作为传感器节点，引入到以主测试仪为核心的无线网络范围内，把采集到的参数传送给主测试仪；当矿井内测试巷道增长时，进而加入中继路由节点，它可起到路由的效果，可以接受并转发相关参数。

图1 系统网络结构Fig.1 System network structure

2 系统硬件设计

2.1 主、从矿井通风多参数无线测试装置

主、从矿井通风多参数无线测试仪器的硬件构成基本相同。以CC2530F256芯片为核心，把相关的仪器连接起来，主要包括串口模块、LCD显示模块、温湿度传感器模块、气压传感器模块、风速传感器模块、带通滤波器和天线等[11-12]。其中，LED可以显示测试出的矿井通风相关参数，CC2591能进一步放大系统的输出功率。此测试装置的结构模块如图2所示，硬件构成如图3所示。

图2 主、从无线测试装置系统结构模块

2.2 中继路由节点

中继路由节点[13]可以起到路由的效果，主要是把测试装置的相关参数发送到主测试装置内。功能结构相对简单，不需要对相关参数进行复杂的处理。选用CC2530F64芯片，外接 CC2591功放模块、电源模块、LCD显示模块等。

图3 主、从无线测试装置硬件连接

2.3 传感器模块

本系统采用型号为SHT10数字式的温湿度传感器来采集矿井巷道内的温湿度；而井下巷道内的静压是用型号为BMP085-MK的气压传感器来测试的，它通过IIC总线与各个微处理器进行连接。其分辨率到达5 Pa(0.05 mbar)，可以测量1 000～110 000 Pa(10～1 100 mbar)的压力；采用型号为GFY15的风速传感器来测试巷道内的风速、风量等参数，通过微压差的变化原理测量风速，可以解决气流紊流的问题，提高了测试精度。

3 系统软件设计

3.1 主测试装置组网程序设计

通风多参数无线测试系统的组网是通过ZStack2006协议ugun软件来实现的，此协议栈可以实现网络的自组织和自愈合[14]。基于C 语言在ZStack模板上建立需要的相关项目。第一步先将矿井通风装置进行IEEE802.15.4协议栈的初始化[15]；进而设置网络号PAN ID、16位短地址，最后通过扫描检测寻找空闲通道并绑定，这时就已创建好ZigBee网络，其网络ID号在LCD中显示出来。第二步在主测试仪设置的基础上，将其他的相关设备引入网络；而从测试仪和中继节点在初始化的基础上扫描检测寻找主测试装置，并请求接入网络内。主测试装置接受到相关的请求信息后，作出响应表明是否允许该设备加入网络。主测试装置组网的流程详见图4。

图4 系统组网设计流程

3.2 从测试装置发送数参数序设计

矿井通风从测试仪在初始化的基础上，通风信道能量扫描检测网络信号并发送接入网络请求，当收到主测试装置的响应后，进一步发送绑定请求，完成绑定，否则进入休眠状态。当从测试装置绑定成功后，将通过按键触发式自动的将监测到的温湿度、静压、风速和风量等相关参数信息发送给主测试装置。其软件流程如图5所示。

图5 数据发送流程

4 系统测试与分析

在无障碍条件下进行测试，主、从测试装置相距400 m，在中间200 m处增加中继路由节点。在本实验中主、从测试装置不断采集数据，同时主测试仪与PC进行连接，且通过Packet Sniffer检测数据接收的情况，测试结果如表1所示。

表1 无障碍环境系统不同条件测试结果

由以上测试结果可知：

(1)测试系统无线传输模块CC2530连接CC2591功放模块之后，系统传输性能得到了明显提升，系统最大稳定传输距离由原来的220 m提高到了现在的350 m。

(2)通过在主、从测试装置中间加入路由器节点，该节点不采集参数信息，只负责信息的接收和转发。事实上在系统中路由节点起到了中继接力的作用。增加该节点后，系统最大传输距离由原来的220 m增加到现在560 m。

5 结 论

(1)在对现有矿井通风阻力测定方法优缺点和适用范围分析的基础上，结合同步法矿井通风阻力测试原理，设计了一种矿井通风参数的无线测试方法，实验证明该无线测试方法从真正意义上实现了矿井通风参数的同步测试，简化了矿井通风阻力测定方法。

(2)利用ZigBee无线传感器网络技术，通过硬件设计和软件设计，开发出矿井通风参数无线测试系统。

(3)通过增加中继节点(路由器节点)、在无线数据传输模块中增加CC2591功放芯片两项措施，提高系统发射功率和测试范围，从而使测试系统在井下受限环境中更好地应用。

(4)通过实验测试，证明该系统在连续工作情况下，具有良好的稳定性和准确性。

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(责任编辑 徐志宏)

Testing System and Software Development of Mine Ventilation Based on Wireless Sensor

Yang Yanguo Wang Yi Zhou Xinyu

(MiningCollege,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

The traditional ventilation resistance test method has feature of low precision and complex operation,a multi-parameter wireless test mine ventilation system based on wireless sensor network technology is proposed.Designing of system hardware and software is focused on,where CC2530 chip is considered as the control core processor of hardware.Both 51 single chips and the RF technology are integrated as a whole to realize data communication with the MAX232 and PC.Meanwhile,on the basis of Z_TACK communication protocol stack,C language is adopted to write the key control program in software.The system can achieve real-time monitoring of temperature,humidity and barometric pressure at two points within the underground roadway,and truly realize automation,high precision and network of mine ventilation resistance testing.

Mine ventilation resistance,Wireless sensor network,Testing system,Hardware design,Software design,Monitor,Transmission module

2015-03-08

国家自然科学基金项目(编号：51174106)。

杨艳国(1971—),男,副教授。

TD727

A

1001-1250(2015)-05-149-04