基于zigbee技术的井下监控系统的设计

杨鹃，韩雪松

(承德石油高等专科学校计算机与信息工程系，河北承德067000)

基于zigbee技术的井下监控系统的设计

杨鹃，韩雪松

(承德石油高等专科学校计算机与信息工程系，河北承德067000)

针对于目前煤矿监控系统存在的问题，提出将zigbee无线通信和TCP/IP网络相结合的网络通信模式，选用CC2530/CC2533芯片作为网络节点的核心芯片，通过RF信号的发送和接收实现数据通信。利用该模式设计出的井下监控系统，不仅可以监测矿井环境参数，也可用于人员定位和区域统计，为井下管理提供了动态可靠的监测数据，实现了煤炭生产监控所需的基本功能。

监控系统;人员定位;zigbee;TCP/IP

瓦斯爆炸、火灾、水灾、顶板冒落［1］等事故的发生给煤炭生产带来了极大的危险，加强系统的安全管理，采取科学、有效、智能化的管理系统，减少和避免各类事故的发生，现已成为井下作业安全研究的迫切问题。以光纤工业以太网为核心的监控系统反应速度大为加快，但系统可靠性和抗毁性没有较大的提高［2-3］。国内应用较多且效果较好的煤矿监控系统主要有KJ4/KJ2000、KJ90等［4］。目前存在的主要问题有应急救援无法解决;有线通信受区域限制;信息利用率不高。为解决监控系统的上述问题，提高矿井系统的安全性，本系统设计采用zigbee无线通信技术和光纤技术相结合的通信方式，可准确实现系统的人员定位和管理，实时监控工作环境，突遇紧急情况可报警并预案处理。

1　系统功能

考虑到井下作业的特殊性和安全性，结合矿井的生产要求，本系统所要具体实现的功能主要包含以下内容:

1)监控井下的工作环境，包括实时上传CH4、CO、顶板压力、风速、风压、温度和湿度等环境参数。

2)监控人员的具体位置。可实时查询定位工作人员的具体位置，保证生产工作的安全。

3)监控机车的位置。可实时查询机车的具体位置，描绘机车系统的主要活动路径。

4)监控某一区域的人员数量。

5)自动报警。危险区域有人员活动的话，可自动发送报警信号，并将报警信号上传给主机，同时启动预案处理。

6)对网络节点进行能量监控，保证节点正常运行。

2　系统硬件设计

井下监控系统的总体结构如图1所示。

系统内部的硬件结构主要包括主机、交换机、网关、传感节点和移动节点，其中网关节点、传感节点、移动节点均属于zigbee无线通信的网络节点，zigbee无线通信网络通过光缆经由交换机与主机之间实现网络通信。

主机是用于监控和管理井下工作的普通计算机，内部安装监控软件，可按ID编号调取和查询井下人员的具体位置。主机内安装的监控软件采用LabVIEW软件开发而成，专门针对于本项目研究的系统而设计的，管理人员只需通过监控软件的使用就可监控管理井下的生产和安全。

网关节点选用CC2530芯片，主要起到网络协调器的功能，在主机与传感节点和移动节点之间实现数据通信，维护zigbee无线网络的正常运行。

移动节点可安装在人员的安全帽上，也可安装在机车上，主要用于人员定位和机车定位。考虑到节点能耗的问题，移动节点选用CC2533芯片，CC2533芯片与CC2530最大的区别在于CC2533带有电池电压监测的功能，可检验能量消耗的情况，保证节点的正常工作。

传感节点固定安装在具体位置，可对实时环境参数进行检测和上传，也可用于系统定位，此时的传感节点相当于锚节点，接收来自于移动节点的RSSI信号帧。传感节点选用CC2533芯片通过串行接口安装不同性能的传感器，每个传感器节点可根据需要连接一种或多种传感器，以工作环境监测为例，可将SHT75温湿度传感器和UL-264瓦斯传感器通过接口与CC2533芯片相连。

本监控系统还要负责井下设备管理，井下设备的控制器、执行器和分站的设计都充分利用了zigbee无线网络的功能，执行器和控制器模块具有网络化的功能，可由zigbee网络实现通信和管理，将控制开关和执行器就近安装在机电设备周围，且执行器通过开关量输入反馈来保证执行的准确性。控制器可通过无线网络接收到来自于主机的控制信息，执行控制命令，控制终端设备的启停操作，且为了保证控制的可靠性，控制器的布局设置应采用冗余的控制形式，设定备份控制器以防主控制器失效，保证系统运行的可靠性［5］。

3　网络节点软件设计

3．1网关的软件设计

网关作为网络的协调器，主要负责无线网络的组建和协调管理工作，初始化网关设置后，与上位机实现网络连接，将自身的设备类型、ID号和控制区域范围等信息传送给主机;再进行无线网络的组建，定期向外发送信号帧。接收网络节点发送的应答信息，判定是否批准入网，如果批准入网，则分配网络地址给网络节点。网关节点的流程如图2所示。

3．2传感节点软件设计

传感节点相当于zigbee网络的路由器，主要负责子网的管理和路由邻居表维护的功能。Zigbee无线网络地址分为长地址和短地址两种形式。当终端设备发送入网请求，则接收到信号帧的路由器或是协调器判定是否批准入网，并回复入网应答，如果应答信息为SUCCESS，则入网成功，网络节点间建立父子节点关系。父节点按照路由算法给子节点分配16位短地址。物理地址修改软件Setup_SmartRFProgr_ 1．9．0．exe来设置坐标值。

本系统路由算法采用AODVJR路由算法，该算法在两节点间路径失效后，能快速设定新的路由，具有较强的网络纠错能力［6］。当网络节点间需建立网络通信时，源节点首先查看路由表是否存在与目的节点间的路由路径，如果有，则按照该路径进行网络通信，否则，则向外广播路由请求，接收到路由请求的网络节点判定自身是否为目的地址，如果是，则建立正向路由并将该路由路径应答给源节点;如果不是目的地址，则建立反向路由并继续广播路由请求。算法中，只将接收到的第一个路由请求作为路由路径保存并发送路由应答。

3．3移动节点软件设计

移动节点一般安装在工人的帽子或者机车上面，用于实现节点定位功能。本监控系统的定位工作包括人员定位和区域人员统计两方面。人员定位时，移动节点会发送RSSI信号帧给周围的传感节点，传感节点做出应答，发送信号帧给移动节点，其中包含传感节点的位置和接收到的RSSI值，移动节点根据定位算法程序运行计算出自身的位置，并将计算后的结果上传给网关。区域人员统计时，由网关发送命令给区域范围内的锚节点，确定与之建立通信的未知节点，再逐一判定移动未知节点的位置，统计区域范围内的人员个数。

定位算法决定了系统定位的精度和功耗［7］，基于这两个方面的考虑，本系统的定位算法采用改进型的加权质心定位算法，在加权质心定位算法的计算结果上，根据估算的位置划定估算范围，在该计算范围内寻找最小的定位误差点，将其作为新的估算位置，再重复进行计算，计算的次数可由实际精度进行调整。

4　网络通信的实现

本监控系统的通信采用zigbee网络和TCP/IP网络互连的方式，井下环境采用zigbee无线通信网络实现节点间的通信，网关节点连接井下作业和地面监控工作，将zigbee协议的通信命令转换为TCP/IP网络，通过光缆传送到交换机，最后传送到主机中。

4．1网络协议的转换

为了实现TCP/IP网络和zigbee网络之间的数据通信，本系统采用socket端口用于不同协议间的网络通信。Socket端口采用字节流式套接口以保证数据的正确传输，套接口由地址和端口号表示，根据规定的数据格式进行数据说明。考虑到数据传输可靠性的问题，本系统socket传输采用TCP的链接方式，通过三次握手成功后才能建立网络通信，传输的准确性较高。基于TCP数据报的socket传送过程的流程如图3所示。服务器需要在创建套接字后进行套接字的绑定操作，将套接字设定为监听模式，等待数据发送，网关创建好套接字后，发送连接请求给服务器，接收到服务器的accept应答后，才能发送数据给服务器。

4．2zigbee串口通信

Zigbee的数据通信是由串口实现的，串口是网络节点间通信的非常重要的方式，CC2530芯片支持zigbee2006协议栈，协议中已经定义好了串口通信的处理程序，用户只需根据自己的需要修改设置和函数调用即可实现所需的操作。CC2530提供了两种串口通信方式，ISR和DMA。ISR默认设置的波特率115 200，在数据传输频繁的情况下有容易出现网络问题;DMA的高速数据传输模式，可以在外设和存储器之间直接进行通信，无需占用CPU，可提高系统的处理速率。本系统设计的串口通信分为两个部分:井下网络节点间的串口通信;网关节点与主机间的串口通信。基于数据传输的频繁性，网络节点间的串口通信采用DMA通信方式。主机向网关节点发送数据采用DMA通信方式，网关节点向主机发送数据采用ISR通信方式。

5　结束语

本文主要探讨了井下监控系统的设计与实现，采用zigbee无线网络通信和TCP/IP网络相结合的通信方式，将zigbee灵活的通信方式应用于井下作业，网关与主机间选用光缆进行数据的传输。分别设计了网关节点、移动节点和传感节点的硬件和软件部分，并对于网络通信的实施进行了具体的设计。通过本文的研究，一方面可实现人员定位系统的功能，另外一方面也可通过传感节点的监测起到安全监控的作用，实现了系统的定位和安全监控的功能，为生产提供了安全保障和有效的管理数据。

［1］王瑛，钱旭．基于矿井监控系统软件设计原则的研究［J］．煤炭技术，2013，22(2):9－11．

［2］胡继红．煤矿安全监控系统存在的问题与发展方向［J］．中国煤炭，2010，36(12):61－63．

［3］邹哲强．煤矿安全监控系统可靠性指标的测定方法［J］．工矿自动化，2010，36(4):1－4．

［4］高春矿．煤矿安全监控系统现状与发展前景［J］．煤炭技术，2014，23(11):65－66．

［5］华钢，宋志月，王永星，等．物联网环境下煤矿安全监控系统体系架构研究［J］．工矿自动化，2013，39(3):6－9．

［6］曾小虎．zigbee路由实现与通信性能测试研究［D］．广州:广东工业大学，2011．

［7］杨鹃，韩雪松．无线传感网络节点定位技术［J］．承德石油高等专科学校学报，2013(6):39－43．

简讯

我校与俄罗斯高校探讨合作路径日前，我校党委书记王纪安参加河北省高等教育培训访问团对俄罗斯高校进行了访问。期间，分别与圣彼得堡交通大学副校长基谢列夫、莫斯科人民友谊大学副校长塞巴斯蒂安、莫斯科大学亚非学院苏仕基娃主任等就我校部分专业与对方本科3十2项目合作、教师培训、暑期学生短期进修等进行了交流洽谈，达成初步意向。

Design of Underground Monitoring System Based on Zigbee Technology

YANG Juan，HAN Xue-song
(Department of Computer and Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Aiming at the existing problems in coal mine monitoring and control system，the network communication mode is used in the zigbee wireless communication and TCP/IP network in this paper．CC2530/CC2533 chip is chosen as the core chip of network nodes．Data communication is achieved by the RF signal to send and receive data between the nodes．Monitoring system designed in this paper is not only used to monitor the mine environment parameters，but also used to locate and in area statistics．It provides a dynamic and reliable monitoring data for mine management，realizing the basic function of the coal production monitoring required．

monitoring system;person localization;zigbee;TCP/IP

TD76

B

1008-9446(2015)01-0039-04

承德市科学技术研究与发展计划项目(无线传感网络节点定位的应用性研究):20122247

2014-10-15

杨鹃(1979－)，女，黑龙江双鸭山人，承德石油高等专科学校计算机与信息工程系讲师，主要研究方向为无线网络通信和数据融合技术等。