基于ZigBee的智能矿井安全联动系统设计

侯健，蒋明君，王斌，何炎灵

（民办四川天一学院 信息工程系，四川绵竹，618200）

0 引言

根据2020年国家煤矿安监局重点强化矿井安全治理五大安全问题，防止矿井安全风险，解决重大安全事故，推动全国矿井安全生产稳定生产。据统计，在2020上半年，全国矿产开发企业共发生安全事故58起，其中死亡人数81人，伤亡率还是比较大，基本每起至少都有一人死亡，可想矿井事故的危害之大，为了强化矿井安全治理，国家煤监局机关，派出11个检查组，开展为期2轮的明察暗访，两会期间，共派出200多个，共检查矿井700多次，查处问题隐患5636条，6个督导组进行4轮督导检查，对异地监察，特别是山西晋中等7个重点地区，开展监督执法，查处矿井70多起，存在隐患接近1000条。可见国家对矿井安全的重视，坚决抵制此类事件的发生，如果发生必将严惩。

矿井下工作环境恶劣，所以防止矿井安全事故的发生，显得尤为重要，需要一个24小时不间断检测、控制、处理并且稳定的系统，来保证矿井工作环境的安全。基于此，设计了一款基于ZigBee的智能矿井安全联动系统，可以检测并控制矿井工作人员的环境安全。

1 系统整体设计

本系统系统由采集端，控制端，PC端，Android端组成。采集端包括了人体红外传感器、光敏传感器、气体传感器、温湿度传感器等。主要负责矿井内相关数据的采集，并将实时数据发给控制端，控制端对数据进行处理和控制，并反馈给PC端或Android端呈现给用户，用户可以实时查看数据或控制设备。了解矿井周围的环境情况，保证人员的安全。本系统的系统框架如图1所示。

图1 基于ZigBee的智能矿井安全联动系统框架图

2 系统硬件设计

2.1 系统核心板设计

本系统的ZigBee无线通信芯片采用的是TI公司的ZigBee SoC射频芯片CC2530F256。作为系统的核心控制板，并设计了它的原理图和PCB图，使用的是Altium Designer软件绘制。本系统采用了两块核心板，分别作为系统的采集端和主控制器端。

2.2 传感器模块设计

①温湿度传感器：本系统采用的温湿度传感器为DHT11，需要实时检测井下温度和湿度变化，通过温湿度传感器发来的数据，采集端对数据进行处理后，如果温度和湿度异常时，蜂鸣器就会报警，提醒工作人员撤离。其控制管脚分别连接在采集端核心板的P07口，3V和GND端。

②人体传感器：本系统采用的温湿度传感器为HCSR501，用来检测人体的活动区域和范围，也可以在危险区域放置传感器，如果有人靠近就会报警，防止人员靠近。如果有事故发生，可以检测人被困区域，方便实施救援，安排施救方案。其控制管脚分别连在5V，采集端核心板的P0.4口，GND端。

③气体传感器：井下有害气体非常多，如甲烷，一氧化碳，氨气，氮气等等。不仅影响生命安全，还容易发生爆炸，导致塌方，所以对井下要进行危险气体检查，防止浓度超标，气体传感器实时会检测气体浓度，超标时会发出预警信息。本系统采用的气体传感器型号为MQ-2，其管脚分别连接到5V，GND，采集端核心板的P1.5口。

④光敏传感器:本系统采用的是光敏传感器型号:MHSensor-Series，来检测环境亮度。光照十分重要，当亮度偏低是，光敏传感器，可以发送提示信息，并自动调节光照亮度，或打开应急灯光，保证井下光照充足。其管脚分别连接到5V，GND和采集端核心板P0.6口。

⑤显示屏：本系统采用的是OLED液晶显示屏，对采集的实时数据展示给井下工作人员看，当有异常情况时，发出预警信息。其管脚分别连接到GND，电源为3V，数据端连接到主控制器端核心板的P1.2，P1.3，P1.7和P0.0口。

3 系统软件设计

3.1 PC应用程序开发

本系统PC端使用C#编写了系统的控制应用程序，用户需要打开电脑的蓝牙或者外接蓝牙外设，连接单片机蓝牙模块（HC-05）,选择相应串口设置波特率，接到系统的功能操作界面，如图2所示。

图2 PC端系统的功能操作界面

①温湿度显示模块：控制端和PC进行蓝牙通信，PC端将温湿度值以折线统计图实时显示，用户可以很直观看见温湿度的变化，用户还可以设置温湿度的阀值，当温湿度值超过多时，实施报警，蜂鸣器鸣响。

②信息检测模块：显示人体传感器和可燃气体的值，实时采集数据，当有人靠近时，提示有人信息，无人靠近时显示无人信息，可燃气体超标时，提示可燃气体浓度高，低时，可燃气体浓度低。

③蜂鸣器状态模块：显示蜂鸣器是否是打开状态还是关闭状态，如果想关闭蜂鸣器，也直接关闭，不管是否外部的值怎么样变化，都不受影响。

④设备控制模块：用于控制排气风扇的开和关，排气风扇有两种模式，一是自动，由控制器自动控制，当可燃气体浓度值偏高时，风扇由控制器自动打开。二是手动，由PC端用户手动控制，当控制器不能控制风扇时，就可以使用手动控制，增加系统的容错率。手动时风扇会有动画显示，来查看风扇变化。温湿度控制模块，用于打开接收温湿度的值，和暂停接收温湿度值。

3.2 手机端程序开发

①界面展示：APP开发工具使用Android Studio，APP名为智能矿井系统，其手机端用户交互界面如图3所示。

图3 手机端用户交互界面

②蓝牙连接：蓝牙模块采用HC-05模块，用户按下开启蓝牙按钮，会弹出提示框是否打开蓝牙，点击允许蓝牙开启。然后按下连接蓝牙，就会显示蓝牙已经匹配的蓝牙列表，点击你想连接的蓝牙选项，就可以实现蓝牙的连接。

③信息显示：当手机连接到蓝牙模块时，手机就接收到主控端发来的数据值，手机将接收到值进行处理，并将信息实时显示出来。

④控制设备：按下风扇开按钮，就可以对风扇进行打开，按下风扇关按钮，就可以对风扇进行关闭。

4 测试

启动系统，如图4所示，各传感器将接收的数据，汇聚到主控端的LCD屏显示，LCD分别显示温湿度和人体，气体，光敏值。如果改变环境温、湿度，可以看见PC端用户交互界面上的温、湿度折线图会出现相应的变化，如图2所示。说明PC端接收到主控端发来的数据。当温、湿度超过阈值时，在主控端OLED屏会显示温湿度过高，并有蜂鸣器报警。为了让蜂鸣器停止工作，可以设置关闭蜂鸣器，如果要启动，选择启动即可。手机端的相关测试与PC端测试类似，这里不一一呈现，其交互界面如图3所示。

图4 系统硬件工作展示

将打火机的气体靠近气体传感器放出（模拟矿井下有害气体浓度过高），可燃气体浓度高，并自动打开风扇，降低可燃气浓度，当不在放出气体时，浓度变低，自动关闭风扇。选择手动选项，就可以对风扇进行开关控制，选择自动，由主控端自动控制风扇开关。

5 结束语

在矿井下需要时刻关注周围环境，即使报告异常情况，保证井下人员的安全。基于ZigBee的智能矿井安全联动系统正是考虑到这些问题而设计，本系统利用了手机、电脑等设备实现对矿井内相关数据进行实时采集，并将实时数据发给PC端和手机端；交互界面人性化、跨平台、操作简单。虽然是个系统的雏形，但也反应了系统在矿井下的检测工作流程，也可以作为后续升级系统的一个参考。