江杰++楊偉林

摘要：由于ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，提出了基于ZigBee無線通信技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，采用在井下主巷道RS-485有線通信和采掘巷道ZigBee無線通信相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，ZigBee采用網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，井上部分上位機(jī)和井下監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，上位機(jī)采用LabView進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、顯示和存儲(chǔ)。本文進(jìn)行了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)ZigBee無線通信和Modbus協(xié)議通信過程。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠顯示環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，證實(shí)了該方案可行。

關(guān)鍵詞：礦井監(jiān)測(cè) ZigBee Modbus RS-485 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）05-0049-02

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)日益重視，研究新型技術(shù)保證煤礦安全生產(chǎn)成為關(guān)注熱點(diǎn)。礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在采掘巷道采用有線傳輸方式存在的局限性一是采掘過程中巷道結(jié)構(gòu)不斷變化導(dǎo)致線纜同步延伸麻煩、成本高[1]，二是對(duì)移動(dòng)機(jī)械設(shè)備和一些特殊角落難以布置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)礦井全方位監(jiān)測(cè)[2]。由于ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及在井下布置情況如（圖1）所示，它分為井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485總線。因?yàn)榈V井主巷道服務(wù)年限長(zhǎng)，環(huán)境較好，采用有線方式不易損壞且長(zhǎng)期不用移動(dòng)。

采掘巷道采用zigbee無線通信方式，Zigbee采用網(wǎng)型組網(wǎng)方式，里面有三種類型節(jié)點(diǎn)。

（1）協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)連接到主巷道的RS-485總線接口上，它負(fù)責(zé)上位機(jī)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中未掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)必須依次在巷道里面較為固定位置布置從而保證巷道里面任何位置都有路由節(jié)點(diǎn)對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行路由中轉(zhuǎn)。

（3）終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)可布置在移動(dòng)機(jī)械設(shè)備上，或布置在一些會(huì)隨時(shí)移動(dòng)布置位置的特殊位置。

Zigbee節(jié)點(diǎn)間傳輸距離可達(dá)10-100m，如果增大發(fā)射功率后可達(dá)1-3km以上，由于zigbee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)型結(jié)構(gòu)可通過路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息的多級(jí)跳轉(zhuǎn)，因而能夠達(dá)到采掘巷道一般網(wǎng)絡(luò)傳輸距離不小于10km的要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，沿坑道每隔一定距離（50-500米）在坑道頂部設(shè)置一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)（采用電池或其他電源供電），環(huán)境條件比較好的地方可以距離放得遠(yuǎn)一點(diǎn)環(huán)境條件比較惡劣的地方可以距離放得近一點(diǎn)，同時(shí)在其他需要定位的地方也設(shè)置一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，比如巷道拐彎處或者危險(xiǎn)區(qū)域，巷道分支處應(yīng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)。注意保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在它前面和后面都至少能與兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，這樣當(dāng)任意1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可跳過這個(gè)節(jié)點(diǎn)與下1個(gè)節(jié)點(diǎn)直接通信，即避免單線聯(lián)系從而保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

采掘巷道本身是一個(gè)回路，可以將zigbee網(wǎng)絡(luò)的兩端都連接到RS-485總線上形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)采掘巷道內(nèi)某個(gè)地方出現(xiàn)塌方等事故時(shí)后面的zigbee節(jié)點(diǎn)可從另一端將采集數(shù)據(jù)傳輸給RS-485總線。

2.2 井上部分

上位機(jī)通過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器掛接到RS-485總線上，采用LabView軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和顯示。

3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

掛接在RS-485總線上的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如（圖2）所示，其它監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)沒有RS-485驅(qū)動(dòng)器模塊。

4 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)類型都設(shè)為網(wǎng)狀網(wǎng)，發(fā)送模式都設(shè)為主從模式，數(shù)據(jù)源址輸出都設(shè)為不輸出。

4.2 Modbus協(xié)議格式

由于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量較大，因而本系統(tǒng)通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議的RTU模式。主機(jī)發(fā)送的查詢指令、從機(jī)返回的正常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀和異常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式分別如（表1、2）和（表3）所示。

查詢指令的功能代碼為在用戶定義區(qū)域中自定義的一個(gè)，這里設(shè)置為0x60，表示查詢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各端口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)指的是欲查詢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的地址。

正常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)為5路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

異常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的功能代碼為在查詢指令里的功能代碼基礎(chǔ)上，對(duì)其最高位置1，即將0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示異常響應(yīng)，因而不需要帶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.3 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)過程可以把這些節(jié)點(diǎn)分為三類：第一類是通過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器掛接到RS-485總線上的上位機(jī)，作為主機(jī)；第二類是各采掘巷道ZigBee網(wǎng)絡(luò)里掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)，作為從機(jī)；第三類是各采掘巷道ZigBee網(wǎng)絡(luò)里未掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)，作為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行信息路由時(shí)是由ZigBee模塊自動(dòng)完成的，不需要STM32參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因而這兩種節(jié)點(diǎn)的STM32功能實(shí)現(xiàn)過程相同。下面是這三類節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)過程。

（1）主機(jī)。主機(jī)采用輪詢的方式依次發(fā)送查詢指令給各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)并接收、存儲(chǔ)、顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖3）。

（2）從機(jī)。從機(jī)主要起兩個(gè)功能，一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)的查詢指令給對(duì)應(yīng)地址的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的返回?cái)?shù)據(jù)幀給主機(jī)。數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束為3.5個(gè)字符時(shí)間，波特率設(shè)為9600，計(jì)算確定該時(shí)間可取5ms。從機(jī)設(shè)定一個(gè)變量值time_5ms為定時(shí)時(shí)間是否到標(biāo)志，如果定時(shí)5ms到則置1，否則為0。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)5ms到了表示一個(gè)數(shù)據(jù)幀接收完成然后執(zhí)行查詢指令，基于中斷處理要短的原則，在中斷處理里將time_5ms置1并停止定時(shí)器定時(shí)，將接收數(shù)據(jù)幀數(shù)組指針指到最前面，將監(jiān)測(cè)環(huán)境信息或轉(zhuǎn)發(fā)查詢指令標(biāo)志置1，然后在主程序里循環(huán)判斷標(biāo)志位執(zhí)行相應(yīng)操作。

（3）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與從機(jī)通信不需進(jìn)行Modbus協(xié)議CRC校驗(yàn)（ZigBee協(xié)議內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)行CRC校驗(yàn)了），但仍采用其數(shù)據(jù)幀格式使得從機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不需對(duì)數(shù)據(jù)幀處理（如圖4、圖5）。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，LabView顯示界面如（圖6）所示，能準(zhǔn)確可靠顯示監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的五路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史變化曲線，證實(shí)了該方案可行。

參考文獻(xiàn)

[1]張嘉怡，劉建文，伍川輝.ZigBee技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008.

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[3]趙鐵錘.煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)指南[M]北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.

[4]李樹剛.安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[5]楊春.煤礦井下安全監(jiān)控及人員定位系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].2008.

[6]高宇.基于Zigbee技術(shù)的礦井安全及應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)[J].2010.

摘要：由于ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，提出了基于ZigBee無線通信技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，采用在井下主巷道RS-485有線通信和采掘巷道ZigBee無線通信相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，ZigBee采用網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，井上部分上位機(jī)和井下監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，上位機(jī)采用LabView進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、顯示和存儲(chǔ)。本文進(jìn)行了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)ZigBee無線通信和Modbus協(xié)議通信過程。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠顯示環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，證實(shí)了該方案可行。

關(guān)鍵詞：礦井監(jiān)測(cè) ZigBee Modbus RS-485 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）05-0049-02

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)日益重視，研究新型技術(shù)保證煤礦安全生產(chǎn)成為關(guān)注熱點(diǎn)。礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在采掘巷道采用有線傳輸方式存在的局限性一是采掘過程中巷道結(jié)構(gòu)不斷變化導(dǎo)致線纜同步延伸麻煩、成本高[1]，二是對(duì)移動(dòng)機(jī)械設(shè)備和一些特殊角落難以布置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)礦井全方位監(jiān)測(cè)[2]。由于ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及在井下布置情況如（圖1）所示，它分為井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485總線。因?yàn)榈V井主巷道服務(wù)年限長(zhǎng)，環(huán)境較好，采用有線方式不易損壞且長(zhǎng)期不用移動(dòng)。

采掘巷道采用zigbee無線通信方式，Zigbee采用網(wǎng)型組網(wǎng)方式，里面有三種類型節(jié)點(diǎn)。

（1）協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)連接到主巷道的RS-485總線接口上，它負(fù)責(zé)上位機(jī)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中未掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)必須依次在巷道里面較為固定位置布置從而保證巷道里面任何位置都有路由節(jié)點(diǎn)對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行路由中轉(zhuǎn)。

（3）終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)可布置在移動(dòng)機(jī)械設(shè)備上，或布置在一些會(huì)隨時(shí)移動(dòng)布置位置的特殊位置。

Zigbee節(jié)點(diǎn)間傳輸距離可達(dá)10-100m，如果增大發(fā)射功率后可達(dá)1-3km以上，由于zigbee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)型結(jié)構(gòu)可通過路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息的多級(jí)跳轉(zhuǎn)，因而能夠達(dá)到采掘巷道一般網(wǎng)絡(luò)傳輸距離不小于10km的要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，沿坑道每隔一定距離（50-500米）在坑道頂部設(shè)置一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)（采用電池或其他電源供電），環(huán)境條件比較好的地方可以距離放得遠(yuǎn)一點(diǎn)環(huán)境條件比較惡劣的地方可以距離放得近一點(diǎn)，同時(shí)在其他需要定位的地方也設(shè)置一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，比如巷道拐彎處或者危險(xiǎn)區(qū)域，巷道分支處應(yīng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)。注意保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在它前面和后面都至少能與兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，這樣當(dāng)任意1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可跳過這個(gè)節(jié)點(diǎn)與下1個(gè)節(jié)點(diǎn)直接通信，即避免單線聯(lián)系從而保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

采掘巷道本身是一個(gè)回路，可以將zigbee網(wǎng)絡(luò)的兩端都連接到RS-485總線上形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)采掘巷道內(nèi)某個(gè)地方出現(xiàn)塌方等事故時(shí)后面的zigbee節(jié)點(diǎn)可從另一端將采集數(shù)據(jù)傳輸給RS-485總線。

2.2 井上部分

上位機(jī)通過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器掛接到RS-485總線上，采用LabView軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和顯示。

3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

掛接在RS-485總線上的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如（圖2）所示，其它監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)沒有RS-485驅(qū)動(dòng)器模塊。

4 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)類型都設(shè)為網(wǎng)狀網(wǎng)，發(fā)送模式都設(shè)為主從模式，數(shù)據(jù)源址輸出都設(shè)為不輸出。

4.2 Modbus協(xié)議格式

由于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量較大，因而本系統(tǒng)通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議的RTU模式。主機(jī)發(fā)送的查詢指令、從機(jī)返回的正常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀和異常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式分別如（表1、2）和（表3）所示。

查詢指令的功能代碼為在用戶定義區(qū)域中自定義的一個(gè)，這里設(shè)置為0x60，表示查詢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各端口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)指的是欲查詢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的地址。

正常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)為5路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

異常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的功能代碼為在查詢指令里的功能代碼基礎(chǔ)上，對(duì)其最高位置1，即將0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示異常響應(yīng)，因而不需要帶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.3 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)過程可以把這些節(jié)點(diǎn)分為三類：第一類是通過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器掛接到RS-485總線上的上位機(jī)，作為主機(jī)；第二類是各采掘巷道ZigBee網(wǎng)絡(luò)里掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)，作為從機(jī)；第三類是各采掘巷道ZigBee網(wǎng)絡(luò)里未掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)，作為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行信息路由時(shí)是由ZigBee模塊自動(dòng)完成的，不需要STM32參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因而這兩種節(jié)點(diǎn)的STM32功能實(shí)現(xiàn)過程相同。下面是這三類節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)過程。

（1）主機(jī)。主機(jī)采用輪詢的方式依次發(fā)送查詢指令給各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)并接收、存儲(chǔ)、顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖3）。

（2）從機(jī)。從機(jī)主要起兩個(gè)功能，一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)的查詢指令給對(duì)應(yīng)地址的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的返回?cái)?shù)據(jù)幀給主機(jī)。數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束為3.5個(gè)字符時(shí)間，波特率設(shè)為9600，計(jì)算確定該時(shí)間可取5ms。從機(jī)設(shè)定一個(gè)變量值time_5ms為定時(shí)時(shí)間是否到標(biāo)志，如果定時(shí)5ms到則置1，否則為0。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)5ms到了表示一個(gè)數(shù)據(jù)幀接收完成然后執(zhí)行查詢指令，基于中斷處理要短的原則，在中斷處理里將time_5ms置1并停止定時(shí)器定時(shí)，將接收數(shù)據(jù)幀數(shù)組指針指到最前面，將監(jiān)測(cè)環(huán)境信息或轉(zhuǎn)發(fā)查詢指令標(biāo)志置1，然后在主程序里循環(huán)判斷標(biāo)志位執(zhí)行相應(yīng)操作。

（3）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與從機(jī)通信不需進(jìn)行Modbus協(xié)議CRC校驗(yàn)（ZigBee協(xié)議內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)行CRC校驗(yàn)了），但仍采用其數(shù)據(jù)幀格式使得從機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不需對(duì)數(shù)據(jù)幀處理（如圖4、圖5）。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，LabView顯示界面如（圖6）所示，能準(zhǔn)確可靠顯示監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的五路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史變化曲線，證實(shí)了該方案可行。

參考文獻(xiàn)

[1]張嘉怡，劉建文，伍川輝.ZigBee技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008.

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摘要：由于ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，提出了基于ZigBee無線通信技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，采用在井下主巷道RS-485有線通信和采掘巷道ZigBee無線通信相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，ZigBee采用網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，井上部分上位機(jī)和井下監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，上位機(jī)采用LabView進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、顯示和存儲(chǔ)。本文進(jìn)行了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)ZigBee無線通信和Modbus協(xié)議通信過程。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠顯示環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，證實(shí)了該方案可行。

關(guān)鍵詞：礦井監(jiān)測(cè) ZigBee Modbus RS-485 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）05-0049-02

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)日益重視，研究新型技術(shù)保證煤礦安全生產(chǎn)成為關(guān)注熱點(diǎn)。礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在采掘巷道采用有線傳輸方式存在的局限性一是采掘過程中巷道結(jié)構(gòu)不斷變化導(dǎo)致線纜同步延伸麻煩、成本高[1]，二是對(duì)移動(dòng)機(jī)械設(shè)備和一些特殊角落難以布置監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)礦井全方位監(jiān)測(cè)[2]。由于ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、應(yīng)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及在井下布置情況如（圖1）所示，它分為井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485總線。因?yàn)榈V井主巷道服務(wù)年限長(zhǎng)，環(huán)境較好，采用有線方式不易損壞且長(zhǎng)期不用移動(dòng)。

采掘巷道采用zigbee無線通信方式，Zigbee采用網(wǎng)型組網(wǎng)方式，里面有三種類型節(jié)點(diǎn)。

（1）協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)連接到主巷道的RS-485總線接口上，它負(fù)責(zé)上位機(jī)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中未掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)必須依次在巷道里面較為固定位置布置從而保證巷道里面任何位置都有路由節(jié)點(diǎn)對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行路由中轉(zhuǎn)。

（3）終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)可布置在移動(dòng)機(jī)械設(shè)備上，或布置在一些會(huì)隨時(shí)移動(dòng)布置位置的特殊位置。

Zigbee節(jié)點(diǎn)間傳輸距離可達(dá)10-100m，如果增大發(fā)射功率后可達(dá)1-3km以上，由于zigbee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)型結(jié)構(gòu)可通過路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息的多級(jí)跳轉(zhuǎn)，因而能夠達(dá)到采掘巷道一般網(wǎng)絡(luò)傳輸距離不小于10km的要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，沿坑道每隔一定距離（50-500米）在坑道頂部設(shè)置一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)（采用電池或其他電源供電），環(huán)境條件比較好的地方可以距離放得遠(yuǎn)一點(diǎn)環(huán)境條件比較惡劣的地方可以距離放得近一點(diǎn)，同時(shí)在其他需要定位的地方也設(shè)置一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，比如巷道拐彎處或者危險(xiǎn)區(qū)域，巷道分支處應(yīng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)。注意保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)在它前面和后面都至少能與兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，這樣當(dāng)任意1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可跳過這個(gè)節(jié)點(diǎn)與下1個(gè)節(jié)點(diǎn)直接通信，即避免單線聯(lián)系從而保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

采掘巷道本身是一個(gè)回路，可以將zigbee網(wǎng)絡(luò)的兩端都連接到RS-485總線上形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)采掘巷道內(nèi)某個(gè)地方出現(xiàn)塌方等事故時(shí)后面的zigbee節(jié)點(diǎn)可從另一端將采集數(shù)據(jù)傳輸給RS-485總線。

2.2 井上部分

上位機(jī)通過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器掛接到RS-485總線上，采用LabView軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)和顯示。

3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

掛接在RS-485總線上的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如（圖2）所示，其它監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)沒有RS-485驅(qū)動(dòng)器模塊。

4 礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)類型都設(shè)為網(wǎng)狀網(wǎng)，發(fā)送模式都設(shè)為主從模式，數(shù)據(jù)源址輸出都設(shè)為不輸出。

4.2 Modbus協(xié)議格式

由于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量較大，因而本系統(tǒng)通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議的RTU模式。主機(jī)發(fā)送的查詢指令、從機(jī)返回的正常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀和異常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式分別如（表1、2）和（表3）所示。

查詢指令的功能代碼為在用戶定義區(qū)域中自定義的一個(gè)，這里設(shè)置為0x60，表示查詢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各端口的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)指的是欲查詢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的地址。

正常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)為5路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

異常響應(yīng)數(shù)據(jù)幀的功能代碼為在查詢指令里的功能代碼基礎(chǔ)上，對(duì)其最高位置1，即將0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示異常響應(yīng)，因而不需要帶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.3 系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)過程可以把這些節(jié)點(diǎn)分為三類：第一類是通過RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器掛接到RS-485總線上的上位機(jī)，作為主機(jī)；第二類是各采掘巷道ZigBee網(wǎng)絡(luò)里掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)，作為從機(jī)；第三類是各采掘巷道ZigBee網(wǎng)絡(luò)里未掛接到RS-485總線上的節(jié)點(diǎn)，作為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行信息路由時(shí)是由ZigBee模塊自動(dòng)完成的，不需要STM32參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因而這兩種節(jié)點(diǎn)的STM32功能實(shí)現(xiàn)過程相同。下面是這三類節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)過程。

（1）主機(jī)。主機(jī)采用輪詢的方式依次發(fā)送查詢指令給各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)并接收、存儲(chǔ)、顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖3）。

（2）從機(jī)。從機(jī)主要起兩個(gè)功能，一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)的查詢指令給對(duì)應(yīng)地址的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)是轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的返回?cái)?shù)據(jù)幀給主機(jī)。數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束為3.5個(gè)字符時(shí)間，波特率設(shè)為9600，計(jì)算確定該時(shí)間可取5ms。從機(jī)設(shè)定一個(gè)變量值time_5ms為定時(shí)時(shí)間是否到標(biāo)志，如果定時(shí)5ms到則置1，否則為0。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)5ms到了表示一個(gè)數(shù)據(jù)幀接收完成然后執(zhí)行查詢指令，基于中斷處理要短的原則，在中斷處理里將time_5ms置1并停止定時(shí)器定時(shí)，將接收數(shù)據(jù)幀數(shù)組指針指到最前面，將監(jiān)測(cè)環(huán)境信息或轉(zhuǎn)發(fā)查詢指令標(biāo)志置1，然后在主程序里循環(huán)判斷標(biāo)志位執(zhí)行相應(yīng)操作。

（3）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與從機(jī)通信不需進(jìn)行Modbus協(xié)議CRC校驗(yàn)（ZigBee協(xié)議內(nèi)部已經(jīng)進(jìn)行CRC校驗(yàn)了），但仍采用其數(shù)據(jù)幀格式使得從機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不需對(duì)數(shù)據(jù)幀處理（如圖4、圖5）。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，LabView顯示界面如（圖6）所示，能準(zhǔn)確可靠顯示監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的五路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史變化曲線，證實(shí)了該方案可行。

參考文獻(xiàn)

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