基于ZigBee的矿井有害气体无线监测系统研制

苏 波 谢东海 张 轩 孟 远

国内大部分矿井有害气体无线监测系统通过广泛布线方式实现数据采集和传输，该方式存在有害气体传感器监测节点可移动性差、组网技术复杂[1]，一旦有线网络遭受损坏将伴随着整个有害气体监测系统的瘫痪，因此迫切需要构建一种结构灵活、组网简单快捷、监测数据传输可靠的矿井有害气体无线监测系统。随着现代通信技术/物联网技术的飞速发展，无线传感器网络的作为一种优选方案运用于矿井环境数据监测。

为了解决上述问题，文章提出一种基于ZigBee的矿井有害气体无线监测系统，系统可用于矿井生产与管理的安全领域，能够实时掌握煤矿井下不同巷道、工作面的有害气体浓度情况，为矿井通风量的准确计算、分配提供实时有效的技术参数，达到及时、有效合理通风。从而能够及时发现和排除有害气体超限或者积聚等带来的安全隐患。

1 系统总体框架设计

图1基于ZigBee的矿井有害气体无线监测系统框架图

基于ZigBee的矿井有害气体无线监测系统由ZigBee无线传感器网络[2]、井下骨干交换机、地面核心交换机、调度主机、打印机组成。无线部分主要由ZigBee无线传感器网络构成，ZigBee无线传感器网络由ZigBee网络协议将无线传感器监测节点、路由节点以及协调器节点组建成一个无线通信网络。ZigBee网络负责数据的采集转发，然后通过将数据传输给井下WiFi基站，WiFi基站通过CAN总线将数据进一步传输给井下骨干交换机，井下骨干交换机把数据通过千兆工业以太网线缆传输到地面核心交换机，最终将数据传输给调度主机。调度主机实现监测数据显示、预警阈值参数的设定、数据保存、历史数据的查询等功能。并将当前数据与提前设定的阈值进行分析比对，对有害气体浓度超限情况进行等级划分，通过GPRS控制预警短信的发送。整套系统比较全面地将无线传感网络灵活性和自组网与井下开采环境相结合，使得地面监测中心能够更加准确、灵活的监测有害气体浓度的变化，系统整体框架如图1所示。

2 系统硬件设计

基于ZigBee的矿井有害气体无线监测系统，该系统硬件主要由有线网和无线网两部分构成，其中有线网包括地面调度系统和地下主干巷道两部分构成，无线网由有害气体无线传感器监测节点、路由节点以及协调器节点三部分组成，有线网和无线网通过WiFi基站（WiFi AP）构成一套完整的基于ZigBee的矿井有害气体无线监测系统。调度主机可通过GPRS模块将监测预警信息以短信透传方式发送给矿井主要负责人，有线网保障矿井数据传输的确定性和实时性；无线网可确保监测地点的灵活性和数据的有效性。该系统可增加监测节点，扩展无线监测系统的覆盖范围，具有规模大、自组织网络、成本低、布设灵活、移动支持等特点，可增加了调度主机GPRS模块无线信息传输的方式，在时间和空间上有效地实现了矿井地面和井下灵活、开放、及时、有效的有害气体监测网络，适用于矿井有害气体监测领域。

ZigBee网络硬件设计，ZigBee网络的硬件部分主要由无线传感器监测节点、路由节点和协调器节点三大模块组成。其中无线传感器监测节点负责对巷道和工作面的有害气体浓度数据进行采集，数据采集的精确度以及无线网络传输性能传输性能将直接影响系统性能，本系统有害气体传感器将通过ADC7606（数模转换模块）将有害气体浓度信号转换为数字信号，并以通用数字接口形式传输给CC2530单片机进行处理和存储，此外还集成蜂鸣预警模块和无线发射模块，当有害气体浓度超过提前设定的阈值时，触发蜂鸣预警功能，无线发射模块负责有害气体数据传输功能。

图2无线传感器监测节点

3 无线传感器网络组网方案设计

Zigbee技术具有强大的组网功能，具体可以组成星型（Star）、树形（Cluster Tree）和网状型（Mesh）网络[3]。本文无线传感器网络使用到Zigbee技术中的Mesh网络结构，Mesh网络结构由一个网关节点（协调器）和若干路由节点（路由器）和若干传感器终端节点（终端设备）组成。Mesh网络结构具有简单灵活的信息路由规则，可保证各路由器之间可以实现通信，就算构建的无线传感器网络的某一节点出现故障，信息依旧可以通过调整到其他路线进行传输，Mesh网络的这种特殊的路由机制[4]使得信息的通讯变得更有效率。Mesh网络结构具有强大的功能，可以通过多级跳的通信方式实现大范围的扩展井下监测范围，Mesh网络结构可以在井下组成大规模且比较复杂的监测网络，但是其组网方式并不复杂，此外该网络还具备自组织、自愈、自动路由和动态维护路由等功能。自动路由和动态维护路由两大功能可以大大增加无线传感器监测网络本身的冗余性，确保监测的确定性以及保障井下无线传感器监测网络的正常运行，适合用于井下复杂的监测环境。

4 系统软件设计及设备调试

4.1 监测节点程序设计

该系统无线传感器监测节点的软件部分利用MDK5编译软件实现了对程序的下载于编译，监测节点主要的程序设计分为5步：（1）节点电路上电后先对系统进行初始化，（2）测试按键处理，（3）有害气体浓度采集处理，（4）系统故障检测判断，（5）有害气体浓度采集处理。

4.2 设备测试

通过对图3（从左往右分别为协调器节点、路由节点、两块相同的无线传感器监测节点）设备对有害气体（这里包括甲烷和一氧化碳气体）进行有害气体监测实验，对各模块进行供电以后，打开手机的热点和专用APP软件后，协调器节点的WiFi模块自动连上手机，路由节点负责路由两个无线传感器监测节点，无线传感器监测节点负责数据监测、当监测数据超过阈值时蜂鸣器预警模块能进行预警，整个系统通过搭建ZigBee无线传感器网络实现。结果表明ZigBee无线传感器网络能够精确采集并传输数据，并通过手机APP软件将数据显示出来，具有数据库保存查询功能。

图3有害气体监测实验

5 主要结论

（1）基于ZigBee的矿井有害气体无线监测系统，选择Mesh网络结构进行组网，实现了矿井各ZigBee无线传感器网络节点间的自动选择路由和动态维护路由，网络具备自组织和自愈功能。

（2）有害气体传感器监测节点的硬件电路采用集成电路设计，以CC2530单片机作为核心处理器，集成有害气体传感器、ADC7606模数转换芯片、蜂鸣器模块、无线发射模块，具有体积小、易于携带的特点。

（3）该系统实现了软硬件，有线网络与无线传感器网络的有机结合，达到监测成本低、数据精确、具有广泛应用前景。