基于ZigBee的煤矿监控系统设计与实现

2015-12-23刘兵陈衡

科技视界 2015年30期

刘兵陈衡

（淮北职业技术学院电子信息工程系，安徽淮北 235000）

0 引言

针对实际煤矿井下生产环境中易燃、易爆、电磁环境和地质环境相当复杂等情况，使得井下安全稳定的生产显得尤其重要。因此，对井下环境及人员的实时监测就加必不可少，本文采用ZigBee 技术构建无线传感网络实现数据的无线传输，具有功率消耗小、维护方便和数据传输稳定等优点，能够提高煤矿安全生产和灾前防治的效率。

1 系统设计方案

基于ZigBee 的煤矿监控系统主要包括ZigBee 传感网络、本地监控终端、远程监控终端以及嵌入式网关4 部分，具体结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

无线传感网络系统主要包括协调器节点、路由节点和终端节点。其中协调器节点负责整个无线传感网络的初始化与组网，并且路由节点和终端节点会主动搜寻该网络并加入网络。协调器节点分为主协调器节点和移动协调器节点，其中移动协调器节点通过串口与手持终端进行连接，实时监测井下环境的数据和用户的具体位置信息。

其中ZigBee 网络协调器与ARM 嵌入式平台组成嵌入式网关，主要负责本地的监控主站和远程Internet 监控站与ZigBee 传感器网络之间的数据传输。

远程Internet 监控站是用户通过Internet 网络访问Web Server 服务器的相关网页，从而实现用户远程对井下环境进行监控和人员定位。

2 系统硬件设计

本文所设计的系统硬件电路主要包括主控制器模块、ARMWinCE 平台、无线射频模块、传感器模块和电源管理模块等5 部分共同组成。

2.1 主控制器模块

主控制器模块采用ST 公司的具有Cortex-M3 内核的STM32F401微处理器。STM32F401 与CC2530 构成嵌入式网关，该网关可将数据实时传输到上位机，并可通过ZigBee 无线传感网络与各下级节点进行实时通信，并且通过LAN 总线将其接入局域网。

2.2 无线射频模块

无线射频模块由TI 公司的CC2530 作为系统的主控制器，可实现定位功能，根据接受的信号强度与其最近节点的参考位置坐标从而准确计算出测测人员该时刻的具体位置。CC2530 内部集成8051 内核和RF 收发模块，只要在其外围添加很少的元器件即可完成数据的接收和发送。

2.3 传感器模块

本系统主要集成了TX0001 热释红外检测传感器、SHT10 温湿度传感器、MJC4/2.8J 型催化燃烧式CH4 传感器和光敏传感器，这些传感器的信号输出可通过STM32F401 内部集成的A/D 模块实现数据的转换和处理。

3 系统软件设计

本系统的软件设计部分主要包括上位机监控软件设计、远程Internet 监控终端的软件设计、ZigBee 协议栈Z-Stack 设计和终端节点程序设计等4 部分。

3.1 上位机监控软件设计

上位机监控软件功能是要实现对整个系统的可视化监测和控制。考虑到ARM-WinCE 构成的手便携式终端与上位机软件具有比较类似的功能，所以此时采用C++可视化图形界面作为本系统的上位机开发界面。

3.2 远程Internet 监控终端的软件设计

本系统采用三星公司的S3C6410 作为嵌入式开发平台的主控制器，开发基于Linux 操作系统的具有远程访问功能的网关。其中Web服务器采用ASP 技术开发具有动态服务功能的网页程序，以便用户通过Intenet 实现对煤矿井下环境和人员的实时监控。

3.3 ZigBee 协议栈Z-Stack 设计

ZigBee 协议栈Z-Stack 设计主要包括协调器节点的程序设计和终端节点的程序设计。其中，协调器节点主要负责整个无线传感网络的组网和网络的维护，同时在组网结束后还需要实现与上位机通信和与终端节点进行实时数据传输；而终端节点主要完成人员的实时定位和煤矿井下环境参数的实时采集。

4 实验测试

为测试整个系统的实际应用性能，将设计的系统应用到某矿的实际工作面，在该采取安装15 个ZigBee 终端节点设备，5 个路由节点设备，分别分布在采区的各个工作面以及巷道周围的各个位置，10 个工人每人携带一个Zigbee 终端节点发射模块，在巷道的不同位置间行走。经过实际应用与测试，各测量指标符合煤矿井下人员定位的具体要求，同时也可以实时的将井下监测数据传输到监控主站。