基于Zigbee技术的煤矿井下通风机监控系统设计

宗朝阳+王成

【摘 要】针对目前煤矿井下通风机监控系统布线困难、可移植性差等缺点，笔者基于Zigbee 技术，设计了煤矿井下通风机监控系统。该系统无需在井下铺设网络线路，通过Zigbee 传输协议，在地面上完成对井下带式传送机整个运行过程的监测显示、控制、保护、报警和管理。

【关键词】Zigbee；CC2530；通风机；监控系统

0 引言

通风机作为煤矿生产的辅助设备，在煤炭的生产过程中起着举足轻重的作用。由于矿业生产属于高危行业，因此在煤矿的生产过程中，安全是第一位的，煤矿的安全监控便是其中重要的一部分。传统的有线监控系统布线复杂、线路易老化、设备拆装繁琐，不利于监控系统的发展，加之煤矿生产环境恶劣，因此煤矿对监控系统的安全性和可靠性的要求较高。Zigbee技术[1]作为一种新兴的无线通信技术，其定义了短距离、低数据传输速率的无线通信协议，很好的解决了井下繁杂的布线问题，为煤矿的安全生产提供了保障。

1 系统总体架构

基于Zigbee技术的煤矿井下带式传送机监控系统包括地面监控系统和井下无线传感器网络两大部分[2-3]。地面监控系统主要是由监控主机和工业以太网组成，井下无线传感器网络主要是由Zigbee协调器节点和多个Zigbee终端节点组成，Zigbee终端节点连接有多种传感器用于对通风机运行数据的采集与传输。系统结构如图1所示。

图1 系统整体架构

2 系统硬件设计及传感器选型

2.1 终端节点硬件设计

Zigbee 终端节点主要由TI公司的CC2530芯片作为内核，并配备数据采集模块、高频天线模块、电源供电模块、AD转换器、串行通信接口、闪存控制器、DMA控制器、4个定时器、AES协议处理器、无线电控制模块等外设。由于CC2530芯片不仅是一款无线发射芯片，还具有一定的控制功能，可完成本设计所需全部功能，因此无需外加控制芯片便可实现对带式传送机运行数据的实时采集和发送。

2.2 协调器节点硬件设计

Zigbee 协调器节点是整个监控系统的枢纽，既要负责向监控主机发送数据，实现与监控主机的通信，又要对终端节点发送过来的信息进行汇总过滤，完成Zigbee网络的创建。Zigbee 协调器节点选用TI公司的CC2530芯片作为其内核，实现数据的处理和传输，它由LCD显示模块、按键模块、报警模块、电源供电模块、串口模块、高频天线模块及 JTAG 测试接口模块等7 部分组成。在系统运行过程中，若需要对预先的一些设置进行改变，可通过按键模块实现。报警模块可实现对故障信息的报警功能，以提醒监控人员。

2.3 传感器选型

参数采集模块根据实际测量参数选择传感器或相应测量装置，采集信息包括通风机风量、负压、风速、轴承温度、轴承振动，电动机电流、电压、绕组温度等参数。其中，通风机轴承振动的采集选用 CZ891一体化振动变送器，将振动传感器和信号调节电路集成为一体，能将现场采集的振动信号直接变换为标准的电流信号输出。

通风机风量和通风机负压的测量均采用 PTG501 负压传感器，通过挤压压敏原件，改变压力采集电路中的电阻值，将被测量对象的压力转换为 4～20mA 的标准电信号并传送给终端节点。

通风机风速的测量采用GSC200型速度传感器。正常时，GSC200型速度传感器输出端输出高电平信号，当风速低于设定值25%时，经过10～15秒延时，速度传感器输出端输出低电平信号并传送给终端节点。

通风机轴承和电动机绕组温度的测量采用Mircro Chip公司的数字温度传感器 TC77，该温度传感器内置12位ADC转换模块，温度分辨率可达0.0625℃，确保了被测对象的精准检测。

电动机的电压和电流参数的测量采用 JD1940-BS4I 型电量变送器，输入信号源可以是电压，也可以是电流，该电量变送器可以准确检测这两种信号，满足实际测量需求。

3 系统软件设计

3.1 终端节点软件设计

为保证终端节点软件设计部分的可靠性和完备性，终端节点的软件实现以Z-stack协议栈为基础，采用电池供电的工作方式，减少数据采集频率，降低了节点的能耗。节点采用信息采集-休眠-定时唤醒的循环工作模式（每60s唤醒一次）采集带式传送机的运行数据，并将采集到的数据实时传送给协调器节点。在收发模式下工作时，系统的工作电流为15mA～17.5mA。在转换为休眠模式后，节点处于低功耗的待机状态，工作电流仅为 1.25uA，大大降低了终端节点的能耗，满足了终端节点长时间工作的要求，提高了终端节点的稳定性。通过测试可得终端节点在一个数据采集周期内的实验数据，根据实验数据计算终端节点的电池寿命长达两年之久。

系统运行时，首先执行系统初始化，进行I/O端口、AD转换、定时器等硬件模块的初始化和网络地址、网络号、唤醒时延、协议栈等软件设置的初始化；其次根据配置文件要求检测网络，绑定网络并接受网络地址；随后进入数据采集阶段，执行数据采集程序。节点周期性的采集带式传送机的运行数据，并将信息发送至协调器节点，然后进入休眠状态，循环往复，从而实现了对带式传送机运行数据的实时采集。

3.2 协调器节点软件设计

协调器节点是整个监测系统网络中的主要部分，在监测系统网络中负责控制和管理带式传送机上的各个子节点。

系统运行时，首先执行初始化程序，各协调器节点上电后会自动组建一个网络，网络启动建立成功后，终端节点会将自己绑定到协调器节点上，而此时协调器节点必须处于允许绑定的状态。成功绑定后，各终端节点会周期性的采集带式传送带的运行数据，并以报告命令的方式发送给协调器节点，整个过程的通信均依靠ZigBee 技术完成。协调器节点在接收到终端节点发送的数据包后会通过串口传送到监控主机，从而实现对带式传送机运行状况的实时监控。

4 总结

基于Zigbee 技术设计的煤矿井下通风机监控系统，可以将井下通风机的运行数据实时上传到监控主机中，实现了对通风机运行状态的实时监控。实验结果表明，该系统具有无线化、智能化、网络化和集成化的特点，能够准确地监测通风机的实时运行状态参数，大大减少了巡检人员的劳动强度，降低了由通风机故障带来的煤矿安全隐患。因此具有一定的参考使用价值，值得在矿产行业推广和使用。

【参考文献】

[1]韩涛，黄友锐，曲立国.基于Zigbee的煤矿风机无线监控系统研究[J].煤矿机械，2014，35（1）：218-220.

[2]焦尚彬，宋丹，张青.基于Zigbee无线传感器网络的煤矿检测系统[J].电子测量与仪器学报，2013，27（5）：436-442.

[3]张晓华，张文芳，石如冬.基于Zigbee的油井远程监控系统设计与实现[J].控制工程，2013，20（S1）：1-4.