基于ZigBee 技术的煤矿安全监控系统设计

阮东鹏

（晋能控股煤业集团 晋城煤炭事业部，山西 晋城 048000）

1 概况

煤矿本质安全主要是形容设备的电气系统能进行自我保护的能力。影响煤矿生产本质安全的主要因素包括人员本质安全、设备本质安全、环境本质安全。人员的本质安全可以通过专业知识培训、专业训练等得到保障，而环境与设备的本质安全就依赖于煤矿安全监控系统。我国煤矿事故时有发生，一大因素就是现有煤矿安全监控方面存在较大的问题与不足，从煤矿安全角度入手进行研究，应用新型的数字传感技术，对煤矿生产设备与人员进行实时监控，最终实现对装备与人员的保护。以晋能控股煤业集团成庄煤矿为研究对象，基于该矿生产环境，采用终端CAN 总线与ZigBee 通信模块技术，设计开发了一套煤矿安全监控系统，以期达到降低煤矿安全事故的目的。

2 系统总体结构设计

根据成庄煤矿安全监控系统的需求特点以及应用环境，可以确定系统的设计原则及工作要点。煤矿安全监控系统的设计原则主要有：安全性、可靠性；技术先进性，应采用先进的硬件与软件控制技术；标准化，采用标准化设计接口，增强系统的通用性与设备兼容性；经济适用性，即在满足使用要求的前提下尽量降低成本。

煤矿监测系统整体结构设计如图1 所示，主要包括数据采集层、信号传输层以及数据分析层。系统通信方案设计选用ZigBee 无线通信技术和CAN总线技术相结合的方式，该系统具有很好的稳定性以及井下适应能力，具有较好的抗爆能力。ZigBee无线通信技术具有传输距离远、组网灵活、功耗低、维护方便等特点。数据采集模块首先将设备的信号采集并集中整理，通过通信网络将数据发送至服务器监控中心，由监控中心对数据进行分析，并得出设备的状态信息。

图1 煤矿监测系统整体结构Fig.1 Overall structure of coal mine monitoring system

3 监控系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 网关模块硬件设计

网关模块的主要功能是接收整个监控系统所采集的数据，并将其进行转化、处理、存储，最后通过CAN 总线发送到监控分站。网关模块主要硬件包括微处理器以及信号处理微型芯片，在此根据实际功能的需求选择西门子公司生产的STM-CT6 型微处理器以及CC2530 芯片，网关模块的硬件结构如图2 所示。

图2 网关模块硬件结构Fig.2 Hardware structure of gateway module

3.1.2 ZigBee 模块

ZigBee 模块主要负责信号的接收与发送，这种节点的无线发射功率大且接收信号的灵敏度比较高，通信传输距离较长，适用于煤矿井下通信使用。ZigBee 模块采用的是CC2530 芯片，该型芯片是专门用于信号采集与发送的单芯片，具有高频收发器、低成本、内存较大、可拓展性强等优点。

3.1.3 存储器设计

存储器主要负责收集存储系统临时产生的数据，为系统的数据传输提供安全保障，系统连接外部存储的芯片采用CH376，该芯片处理器具有较好的存储功能，可提供12 MHz 的SPI 通信接口以及最高3 Mbps 速度的异步串口。

3.2 系统软件设计

系统的核心处理器选用的是ARM 公司开发的STM76TGY8 型微型处理芯片，该处理器具有数存储、数据分析以及数据预警等功能，监控系统的功能需求是首先对传感器所采集的数据进行收集整理，实现对数据的计算与分析，该系统的软件控制程序基于Keil Vision8 为开发平台进行编程。该开发平台是一款基于VC++ 语言的开发软件，具有较好的通用性与兼容性。系统软件的主要设计程序包括数据采集程序、网关通信程序、数据处理程序路由器节点程序设计，上位机操作系统等软件的设计。

4 系统应用测试

完成系统的软件与硬件结构设计后，需对其功能进行试验测试，以确保系统达到了设计目的。以煤矿安全监控系统温度监控与无线网络通信为例，对其功能测试做简要介绍。

4.1 温度参数监控

安全监控系统的温度监控对保障井下安全具有重要意义，试验主要针对温度变化情况搭建试验平台测试。该试验平台主要硬件设备包括Zig Bee 模块（CC2530）、电源、GWSD100 型温度传感器、计算机、SD 存储卡、信号微处理器等。试验时首先将各硬件设备连接好，在控制计算机上，通过调试助手观测传感器模块所采集温度信息，并与试验环境实际测量的温度进行对比，系统所采集的温度情况见表1。

表1 温度测试结果Table 1 Temperature test results

4.2 无线通信测试

根据成庄煤矿矿井的特点，选择2 栋教学楼楼道为试验场景。为了搭建无线通信测试试验平台，需准备的硬件设备包括ZigBee 模块、电源、GWSD/100 型传感器、计算机、USB 转串口线、USB 转TTL 数据线、SD 存储卡等。

试验时连接好各试验设备，其中一个ZigBee模块与微处理器相连接，另外一个ZigBee 模块通过USB 数据接收线与中央控制计算机进行连接；接通测试平台电源，将传感器监测到的温度信息进行无线传输；移动ZigBee 模块，改变距离，重复多次试验，将每次测试的数据结果做好详细的记录，验证ZigBee 模块的信号传输能力，并计算其信号传输过程中的丢包率。

测试结果显示，2 个ZigBee 模块在不同的距离以及障碍物的作用下，信号传递效率具有明显差异，当传递距离为200～300 m 时，模块可以正常接收数据，没有发生丢包的现象，通信数据稳定传递；当传递距离为400～500 m 时，信号传递出现丢包现象；当距离大于500 m 时，发生比较明显的数据丢失情况，无法有效完整地传递信号。说明ZigBee 模块的有效距离为300 m。

5 结语

针对成庄煤矿安全监控数据采集与系统可靠性等方面存在较多不足的问题，基于该矿生产环境，设计了一套煤矿安全监控系统，以达到降低煤矿安全事故的目的。根据煤矿生产的特点，采用终端CAN 总线与ZigBee 通信模块技术为基础，对安全监控系统的总体结构设计、软件设计与硬件结构设计做了简要介绍，然后根据需要对安全监控系统的各分系统进行了测试，由于篇幅所限只列出了温度参数监控与无线通信测试2 类测试试验。测试结果显示该系统达到了设计目标，可以很好地实现对成庄煤矿的安全监控，提高了煤矿安全生产可靠性。