朱理望,楊柳,李高鵬

（湖南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,湖南湘潭411201）

安全生產(chǎn)是煤炭行業(yè)永恒的主題,煤礦礦井地質(zhì)條件復(fù)雜,生產(chǎn)條件惡劣,以往的大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)以有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主,在井下部署困難,設(shè)備不具移動(dòng)性,可擴(kuò)展性較差,很難全面監(jiān)測煤礦所有區(qū)域.本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)和現(xiàn)場總線（Field-Bus）技術(shù)相結(jié)合,研究設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的的集環(huán)境檢測、設(shè)備監(jiān)控與人/車定位于一體的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng).系統(tǒng)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為支撐,采集煤礦井下環(huán)境參數(shù)和井下人/車定位信息,并對(duì)井下主要煤機(jī)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,所有監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)監(jiān)測分站通過CAN總線骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面監(jiān)控中心,以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井井下各區(qū)域環(huán)境參數(shù)的全面監(jiān)測、煤機(jī)設(shè)備的控制以及井下人/車的定位與管理.

1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體研究與設(shè)計(jì)

1.1 總體研究與分析

礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要目標(biāo)就是為了有效保障井下員工的生命安全和煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)[1],煤礦礦井井下的特殊環(huán)境,給設(shè)備和電纜帶來部署不便和安裝維護(hù)困難,隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,對(duì)井下各種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測已可用采取無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的解決方案[2].

ZigBee是近年來發(fā)展起來的一種新興短距離無線傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),與其他幾種短距離無線傳輸協(xié)議如藍(lán)牙（BlueTooth）、Wi-Fi、IrDA相比,主要具有以下幾個(gè)優(yōu)勢[2].

（1）功耗低.ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短,收發(fā)信息功率低,且采用了休眠模式.

（2）傳輸可靠,抗干擾性強(qiáng).采用DSSS擴(kuò)頻通信方式,與RFID的寬帶通信和433～915 MHz的FSK通信相比,具有抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn).

（3）產(chǎn)品成本低.由于ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)簡練,因此它的研發(fā)成本相對(duì)較低,軟件實(shí)現(xiàn)比較簡單.

（4）速度快,距離遠(yuǎn).ZigBee協(xié)議2.4 GHz物理層,其速度為250 kbps；傳輸距離可達(dá)30～70 m,如果擴(kuò)大信號(hào),傳輸距離可超過100 m.

因此,對(duì)于無線通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,可采用ZigBee無線通信協(xié)議；由于礦井內(nèi)不利于長距離無線傳輸,因此對(duì)于主巷道和主采區(qū)的通信方式則宜于采用有線通信方式,可選用已廣泛應(yīng)用到交通、國防、工程、工業(yè)、安防等眾多領(lǐng)域的CAN總線通信協(xié)議[3].CAN是由德國BOSCH公司提出和最早成為國際標(biāo)準(zhǔn)的一種現(xiàn)場總線規(guī)范,具有通信距離遠(yuǎn)和傳輸速度快等特點(diǎn)[4],最遠(yuǎn)傳輸距離10 km,最大通信速率1 Mbs,增加中繼器完全可以覆蓋整個(gè)礦井區(qū)域.

1.2 綜合監(jiān)測系統(tǒng)的組成

按照國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),煤礦安全監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)測分站、監(jiān)控主機(jī)（監(jiān)控中心站）、甲烷斷電儀、傳感器、傳輸接口、斷電控制器等設(shè)備、模塊與部件組成.ZigBee通信協(xié)議定義了3種角色的節(jié)點(diǎn)[5].

（1）ZigBee協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）,負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò),是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),為協(xié)議定義的全功能設(shè)備（FFD）；

（2）ZigBee路由器（Router）,主要實(shí)現(xiàn)消息和路由轉(zhuǎn)發(fā),為全功能設(shè)備；

（3）ZigBee終端設(shè)備（End Device）,也稱為傳感節(jié)點(diǎn),完成具體功能的執(zhí)行,即可為全功能設(shè)備也可為半功能設(shè)備（RFD）.

礦井安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the supervision system

系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心站、井下監(jiān)測分站（含ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)）、ZigBee電子標(biāo)簽,以及斷電控制器（也稱斷電儀）等設(shè)備組成.智能數(shù)字通信接口可以是CAN-PCI接口卡、CAN-USB接口卡或者CAN-Ethernet接口卡.

無線傳感器和ZigBee標(biāo)簽為ZigBee終端設(shè)備,傳感器的種類可包括瓦斯（甲烷）體積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)、溫度、濕度、粉塵質(zhì)量濃度、風(fēng)速、水位、滲水水壓、位移、應(yīng)力和負(fù)壓等,以實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)的全面監(jiān)測；路由節(jié)點(diǎn)也稱為參考節(jié)點(diǎn),其位置通過人工配置,負(fù)責(zé)聚合子傳感節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境信息、轉(zhuǎn)發(fā)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、并輔助于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以獲取人/車所處的坐標(biāo)[6]；ZigBee電子標(biāo)簽為移動(dòng)節(jié)點(diǎn),這些移動(dòng)標(biāo)簽的位置信息通過路由器節(jié)點(diǎn)傳至ZigBee協(xié)調(diào)器以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員和車輛的定位與跟蹤.

2 監(jiān)測分站的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的實(shí)現(xiàn)

井下監(jiān)測分站是整個(gè)礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的核心,根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,監(jiān)測分站包含實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器功能的硬件.

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器3種節(jié)點(diǎn)的通用模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,這些模塊可根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際需要進(jìn)行取舍.

圖2 ZigBee節(jié)點(diǎn)的模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Block diagram of ZigBee nodes

根據(jù)ZigBee節(jié)點(diǎn)的模塊結(jié)構(gòu)和監(jiān)測分站的功能要求,除無線通信模塊之外,ZigBee協(xié)調(diào)器的其他模塊完全可以和實(shí)現(xiàn)監(jiān)測分站其他功能的電路模塊共用,將無線通信模塊和監(jiān)測分站其他功能模塊連接在一起,就可組成一個(gè)包含ZigBee協(xié)調(diào)器的一體化的監(jiān)測分站設(shè)備.

2.2 監(jiān)測分站的硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和監(jiān)測分站的功能要求,監(jiān)測分站的硬件可由微處理器（MCU）、網(wǎng)絡(luò)通信接口、設(shè)備監(jiān)控電路、人機(jī)對(duì)話功能電路、電源電路等部分構(gòu)成,組成結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 監(jiān)測分站的硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 The hardware construction of the substation

微處理器采用內(nèi)嵌RAM、EPROM和EEPROM的單片機(jī),網(wǎng)絡(luò)通信接口包括與有線通信骨干網(wǎng)相聯(lián)的CAN總線接口、與井下ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信并實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能的無線模塊,設(shè)備監(jiān)控電路包括對(duì)井下設(shè)備的監(jiān)測與控制電路,人機(jī)對(duì)話功能部件包括按鍵和LCD顯示器.ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和人員位置信息的獲取,監(jiān)測分站通過CAN總線的有線通信方式向井上監(jiān)控中心站傳遞環(huán)境監(jiān)測、人/車位置以及煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息,而監(jiān)控中心站通過監(jiān)測分站實(shí)現(xiàn)對(duì)井下信息的采集與設(shè)備的控制,本地煤機(jī)設(shè)備的斷電閉鎖與解鎖可由監(jiān)測分站獨(dú)立完成,人機(jī)對(duì)話功能部件則用于監(jiān)測分站相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和改寫.

2.3 主要單元電路設(shè)計(jì)

2.3.1 CAN總線通信接口 CAN總線組成井下通信骨干網(wǎng),它是監(jiān)測分站與井上中心站,以及監(jiān)測分站之間相互聯(lián)系的橋梁,分站控制器板的CAN總線接口可采用CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器PCA82C250及光電隔離芯片6N137組成CAN總線的接口電路.CAN獨(dú)立控制器SJA1000的初始化設(shè)置和報(bào)文收發(fā)處理由分站控制器板的微處理器MCU（STC15F2K60S2）進(jìn)行,CAN收發(fā)器PCA82C250用來建立CAN總線通信協(xié)議的物理層,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和傳輸電平之間的相互轉(zhuǎn)換,CAN總線接口的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 CAN總線接口的電路結(jié)構(gòu)Fig.4 The circuit structure of CAN bus interface

SJA1000的接收發(fā)送端口RX0、TX0通過高速光耦器件6N137與PCA82C250的相應(yīng)端口相連,6N137的供電采用相互隔離的VCC和VDD兩路電源,這樣就實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離,從而有效地消除了傳輸網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾,確保了CAN節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性,極大地提高了接口電路的抗干擾能力.

2.3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線通信接口 ZM2410系列為廣州致遠(yuǎn)電子研發(fā)的2.4 GHz的Zigbee無線通信模塊,該模塊的核心電路是美國CEL公司的單芯片ZigBee收發(fā)器ZIC2410,是一款真正意義上的ZigBee片上系統(tǒng),集成了ZigBee無線RF收發(fā)器和一個(gè)內(nèi)嵌Flash空間的51CPU核,同時(shí)還帶有GPIO、UART和音頻解碼器.采用ZM2410模塊,只要將微處理器的UART接口與模塊的UART接口的數(shù)據(jù)接收端（RXD）與發(fā)送端（RXD）交叉連接,輔之以少量的外圍器件,即可使監(jiān)測分站主板具有ZigBee無線通信功能.另一方面,實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)功能的軟件程序可以通過ZM2410模塊的UART接口,用ISP方式下載到ZIC2410芯片內(nèi)的Flash編程存儲(chǔ)器,從而使ZM2410模塊成為一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).微處理器STC15F2K60S2與模塊ZM2410DE連接電路如圖5所示.

圖5 微處理器與ZM 2410模塊的連接Fig.5 Connection of MCU and ZM2410 module

2.3.3 設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測電路 為了保障井下煤機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行,必須對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測,并適時(shí)進(jìn)行關(guān)閉和重啟控制,因此監(jiān)測分站應(yīng)包含設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和繼電器控制電路.設(shè)備的的運(yùn)行狀況相關(guān)信息一般由頻率信號(hào)表示,設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測電路設(shè)計(jì)圖6所示.

圖6 礦井設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測電路Fig.6 Mine equipment condition monitoring circuit

3 監(jiān)測分站的軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN接口的通信程序

CAN總線接口主要負(fù)責(zé)監(jiān)測分站與井上中心站的通信聯(lián)系,監(jiān)測分站通過它向監(jiān)測中心站上傳所收集的環(huán)境監(jiān)測、人員位置和設(shè)備狀態(tài)信息,反過來,監(jiān)測中心站則又要通過它向監(jiān)測分站下達(dá)環(huán)境參數(shù)和人員位置數(shù)據(jù)的采集命令,以及對(duì)煤機(jī)設(shè)備的控制命令.

CAN接口的通信程序主要包括CAN總線控制器SJA1000的初始化和CAN總線消息（報(bào)文）數(shù)據(jù)包的收發(fā).CAN總線消息數(shù)據(jù)包的接收過程：控制器SJA1000收到報(bào)文后先通過驗(yàn)收濾波器再放入接收FIFO緩沖中,并產(chǎn)生一個(gè)接收中斷并將狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志位置位.微處理器MCU進(jìn)入中斷處理后,將報(bào)文讀入到自身的RAM存儲(chǔ)器,然后置位SJA1000的命令寄存器的釋放緩沖區(qū)標(biāo)志以釋放緩沖器.由于分站接收到的報(bào)文的第一個(gè)字節(jié)代表井上監(jiān)控中心發(fā)布給監(jiān)測分站的命令碼,因此,在監(jiān)測分站微處理器接收到報(bào)文后將立即轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)命令的處理.

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器功能的程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的功能主要由ZM2410無線通信模塊來實(shí)現(xiàn).將ZigBee組網(wǎng)的程序通過ZM2410模塊的UART接口,下載到該模塊中ZIC2410芯片內(nèi)的Flash存儲(chǔ)器,從而就可使ZM2410模塊實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能.作為上位機(jī)（即分站板的MCU）和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)之間通信的橋梁,一方面,協(xié)調(diào)器通過ZM2410模塊中的RF接收器,接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)中無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),再通過模塊的串口上傳給分站板的MCU；另一方面,分站板的MCU可以通過串口向協(xié)調(diào)器（無線通信模塊）發(fā)送命令,如“開始采集”命令,協(xié)調(diào)器收到后再通過模塊中的RF發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求給無線傳感器節(jié)點(diǎn)[7].同時(shí),協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備,還將負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和參數(shù)配置,組建網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)步驟主要是網(wǎng)絡(luò)初始化及節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)[8],協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序的流程設(shè)計(jì)如圖7所示.

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能程序流程Fig.7 Process flow of the coordinator program

3.3 監(jiān)測分站主程序

監(jiān)測分站主程序的任務(wù)是完成系統(tǒng)和通信接口的初始化；向ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出采集環(huán)境參數(shù)測量和人員位置信息的指令；處理井上監(jiān)控中心通過CAN總線送達(dá)的煤機(jī)設(shè)備控制命令；獨(dú)立進(jìn)行對(duì)井下煤機(jī)設(shè)備的周期巡查與控制；向監(jiān)控中心上傳ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集的環(huán)境測試數(shù)據(jù)、人員位置信息和井下設(shè)備狀態(tài)信息,處理流程如圖8所示.

圖8 監(jiān)測分站主程序流程Fig.8 The process of the substion program

4 性能測試與驗(yàn)證

在完成了監(jiān)測分站（含ZigBee協(xié)調(diào)器）和智能瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)制作后,為了驗(yàn)證監(jiān)測系統(tǒng)和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的總體特性和主要功能,組建了一個(gè)由PC機(jī)、USB-CAN接口卡、監(jiān)測分站電路板、智能瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)等設(shè)備和模塊構(gòu)成的模擬測試環(huán)境,如圖9所示.其中（1）為USB-CAN接口卡,一端通過USB電纜連接PC機(jī),另一端通過CAN總線信號(hào)線連接監(jiān)測分站板；（2）為含ZigBee協(xié)調(diào)器的監(jiān)測分站板；（3）為智能瓦斯傳感器等節(jié)點(diǎn),通過ZigBee協(xié)議與監(jiān)測分站構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò).通過模擬測試環(huán)境,對(duì)監(jiān)測分站與PC機(jī)的CAN總線通信、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集、智能瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的濃度測量等設(shè)備的主要功能進(jìn)行了驗(yàn)證.

圖9 模擬測試的場景照片F(xiàn)ig.9 A photo of the simulation test scene

經(jīng)測試、驗(yàn)證與分析,系統(tǒng)、設(shè)備和節(jié)點(diǎn)的各種必備功能均已正常實(shí)現(xiàn),達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)要求.智能瓦斯傳感器參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果在監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)上的顯示界面如圖10所示.

圖10 監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)上的監(jiān)測結(jié)果顯示界面Fig.10 The display interface on the upper computer

5 小結(jié)

本文通過系統(tǒng)性的分析與研究,構(gòu)建了一種基于ZigBee技術(shù)的具備環(huán)境檢測、設(shè)備監(jiān)控與人/車定位功能的礦井綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架.然后根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能要求,完成了監(jiān)測分站的軟硬件設(shè)計(jì)與開發(fā).最后經(jīng)由PC機(jī)、監(jiān)測分站和智能無線傳感器等設(shè)備而搭建的模擬工作環(huán)境測試驗(yàn)證,監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、分站設(shè)備和無線傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求.

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