楊艷國 王 祎 周新雨

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新，123000)

·機(jī)電與自動化·

基于無線傳感器的礦井通風(fēng)測試系統(tǒng)及軟件開發(fā)

楊艷國 王 祎 周新雨

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新，123000)

基于傳統(tǒng)通風(fēng)阻力測試方法精度低且操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出了一種以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的礦井通風(fēng)多參數(shù)無線測試系統(tǒng)。重點(diǎn)對系統(tǒng)中的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計。硬件方面是將CC2530芯片作為控制處理器的核心，并且把51單片機(jī)與RF射頻技術(shù)融合為一體，用MAX232與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信；軟件方面是在Z_TACK通信協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，利用C語言來編寫核心控制程序。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測井下一段巷道內(nèi)2點(diǎn)的溫、濕度和氣壓值，而且能真正實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)阻力測試的自動化、精確化、網(wǎng)絡(luò)化。

礦井通風(fēng)阻力 無線傳感器 測試系統(tǒng) 硬件設(shè)計 軟件設(shè)計 監(jiān)測 傳輸模塊

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“新建的礦井必須要進(jìn)行一次礦井通風(fēng)阻力的測定，以后每三年最少測定一次”[1]。通常情況下，常見的通風(fēng)阻力測定方法主要包括壓差計法和氣壓計法。前者測定的阻力精度較高，但是操作復(fù)雜；而氣壓計的測定精度較差且受井下環(huán)境的影響較大。國外對于井下的通風(fēng)阻力測定的研究相對比較成熟，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中有計算機(jī)的控制系統(tǒng)等[2-3]，而國內(nèi)的研究人員也提出了利用巷道的風(fēng)門等測量巷道通風(fēng)阻力的一些方法[4-7],然而對整個礦井的通風(fēng)阻力的測定工作還不夠完善，無法實(shí)現(xiàn)全礦井的通風(fēng)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。

本研究在前人對通風(fēng)阻力測定研究的基礎(chǔ)上，研究出一種新的礦井通風(fēng)阻力測試系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠根據(jù)無線通信的技術(shù)來測試井下的溫濕度等相關(guān)參數(shù)，且可以同步進(jìn)行計數(shù)，大大減少了傳統(tǒng)通風(fēng)阻力測定的復(fù)雜性和不確定性。

1 系統(tǒng)工作原理

氣壓計同步法即為同一型號的氣壓計放置在一段巷道的始端和末端且在同一時刻讀數(shù)。根據(jù)礦井通風(fēng)阻力測定的原理，基于氣壓計同步法[8-9]，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過礦井通風(fēng)多參數(shù)無線測試系統(tǒng)，在井下巷道的始端和末端同時測量相關(guān)參數(shù)，顯示在測試裝置的LCD中，實(shí)現(xiàn)真正的同步。

基于氣壓計同步法的礦井通風(fēng)阻力公式為

(1)

式中，hrij為通風(fēng)阻力,Pa；hrij表示2測點(diǎn)間的通風(fēng)阻力，Pa；hvi、hvj分別表示測點(diǎn)i、j的動壓值，Pa；k′、k″分別表示氣壓計Ⅰ、Ⅱ的校正系數(shù)；hi′、hj′分別為氣壓計Ⅰ在測點(diǎn)i、j的讀數(shù)，Pa；hi″、hj″表示與hi′、hj′對應(yīng)時間氣壓計Ⅱ的讀數(shù)，Pa；Zi、Zj分別表示測點(diǎn)i、j的標(biāo)高，m；ρij表示測點(diǎn)i、j間空氣密度的平均值，kg/m3。

使用該礦井通風(fēng)多參數(shù)的無線測試系統(tǒng)，可簡化礦井通風(fēng)阻力的計算。公式為

(2)

該方法一方面使氣壓計同步法得到簡化，另一方面在一定程度上使得測試精度提高。

該系統(tǒng)采用的是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]，如圖1所示，主要包括主、從礦井通風(fēng)無線測試裝置以及中繼路由節(jié)點(diǎn)，主礦井通風(fēng)參數(shù)儀在礦井內(nèi)作為一個協(xié)調(diào)器，建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行綁定，并接受從測試儀的數(shù)據(jù)，顯示與LCD上；而把從測試儀看作為傳感器節(jié)點(diǎn)，引入到以主測試儀為核心的無線網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，把采集到的參數(shù)傳送給主測試儀；當(dāng)?shù)V井內(nèi)測試巷道增長時，進(jìn)而加入中繼路由節(jié)點(diǎn)，它可起到路由的效果，可以接受并轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 System network structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主、從礦井通風(fēng)多參數(shù)無線測試裝置

主、從礦井通風(fēng)多參數(shù)無線測試儀器的硬件構(gòu)成基本相同。以CC2530F256芯片為核心，把相關(guān)的儀器連接起來，主要包括串口模塊、LCD顯示模塊、溫濕度傳感器模塊、氣壓傳感器模塊、風(fēng)速傳感器模塊、帶通濾波器和天線等[11-12]。其中，LED可以顯示測試出的礦井通風(fēng)相關(guān)參數(shù)，CC2591能進(jìn)一步放大系統(tǒng)的輸出功率。此測試裝置的結(jié)構(gòu)模塊如圖2所示，硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖2 主、從無線測試裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊

2.2 中繼路由節(jié)點(diǎn)

中繼路由節(jié)點(diǎn)[13]可以起到路由的效果，主要是把測試裝置的相關(guān)參數(shù)發(fā)送到主測試裝置內(nèi)。功能結(jié)構(gòu)相對簡單，不需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的處理。選用CC2530F64芯片，外接 CC2591功放模塊、電源模塊、LCD顯示模塊等。

圖3 主、從無線測試裝置硬件連接

2.3 傳感器模塊

本系統(tǒng)采用型號為SHT10數(shù)字式的溫濕度傳感器來采集礦井巷道內(nèi)的溫濕度；而井下巷道內(nèi)的靜壓是用型號為BMP085-MK的氣壓傳感器來測試的，它通過IIC總線與各個微處理器進(jìn)行連接。其分辨率到達(dá)5 Pa(0.05 mbar)，可以測量1 000～110 000 Pa(10～1 100 mbar)的壓力；采用型號為GFY15的風(fēng)速傳感器來測試巷道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)量等參數(shù)，通過微壓差的變化原理測量風(fēng)速，可以解決氣流紊流的問題，提高了測試精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主測試裝置組網(wǎng)程序設(shè)計

通風(fēng)多參數(shù)無線測試系統(tǒng)的組網(wǎng)是通過ZStack2006協(xié)議ugun軟件來實(shí)現(xiàn)的，此協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈合[14]?；贑 語言在ZStack模板上建立需要的相關(guān)項(xiàng)目。第一步先將礦井通風(fēng)裝置進(jìn)行IEEE802.15.4協(xié)議棧的初始化[15]；進(jìn)而設(shè)置網(wǎng)絡(luò)號PAN ID、16位短地址，最后通過掃描檢測尋找空閑通道并綁定，這時就已創(chuàng)建好ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)ID號在LCD中顯示出來。第二步在主測試儀設(shè)置的基礎(chǔ)上，將其他的相關(guān)設(shè)備引入網(wǎng)絡(luò)；而從測試儀和中繼節(jié)點(diǎn)在初始化的基礎(chǔ)上掃描檢測尋找主測試裝置，并請求接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。主測試裝置接受到相關(guān)的請求信息后，作出響應(yīng)表明是否允許該設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。主測試裝置組網(wǎng)的流程詳見圖4。

圖4 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計流程

3.2 從測試裝置發(fā)送數(shù)參數(shù)序設(shè)計

礦井通風(fēng)從測試儀在初始化的基礎(chǔ)上，通風(fēng)信道能量掃描檢測網(wǎng)絡(luò)信號并發(fā)送接入網(wǎng)絡(luò)請求，當(dāng)收到主測試裝置的響應(yīng)后，進(jìn)一步發(fā)送綁定請求，完成綁定，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)從測試裝置綁定成功后，將通過按鍵觸發(fā)式自動的將監(jiān)測到的溫濕度、靜壓、風(fēng)速和風(fēng)量等相關(guān)參數(shù)信息發(fā)送給主測試裝置。其軟件流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

4 系統(tǒng)測試與分析

在無障礙條件下進(jìn)行測試，主、從測試裝置相距400 m，在中間200 m處增加中繼路由節(jié)點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中主、從測試裝置不斷采集數(shù)據(jù)，同時主測試儀與PC進(jìn)行連接，且通過Packet Sniffer檢測數(shù)據(jù)接收的情況，測試結(jié)果如表1所示。

表1 無障礙環(huán)境系統(tǒng)不同條件測試結(jié)果

由以上測試結(jié)果可知：

(1)測試系統(tǒng)無線傳輸模塊CC2530連接CC2591功放模塊之后，系統(tǒng)傳輸性能得到了明顯提升，系統(tǒng)最大穩(wěn)定傳輸距離由原來的220 m提高到了現(xiàn)在的350 m。

(2)通過在主、從測試裝置中間加入路由器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)不采集參數(shù)信息，只負(fù)責(zé)信息的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。事實(shí)上在系統(tǒng)中路由節(jié)點(diǎn)起到了中繼接力的作用。增加該節(jié)點(diǎn)后，系統(tǒng)最大傳輸距離由原來的220 m增加到現(xiàn)在560 m。

5 結(jié) 論

(1)在對現(xiàn)有礦井通風(fēng)阻力測定方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合同步法礦井通風(fēng)阻力測試原理，設(shè)計了一種礦井通風(fēng)參數(shù)的無線測試方法，實(shí)驗(yàn)證明該無線測試方法從真正意義上實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)參數(shù)的同步測試，簡化了礦井通風(fēng)阻力測定方法。

(2)利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，開發(fā)出礦井通風(fēng)參數(shù)無線測試系統(tǒng)。

(3)通過增加中繼節(jié)點(diǎn)(路由器節(jié)點(diǎn))、在無線數(shù)據(jù)傳輸模塊中增加CC2591功放芯片兩項(xiàng)措施，提高系統(tǒng)發(fā)射功率和測試范圍，從而使測試系統(tǒng)在井下受限環(huán)境中更好地應(yīng)用。

(4)通過實(shí)驗(yàn)測試，證明該系統(tǒng)在連續(xù)工作情況下，具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

[1] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2010. State Administration of Work Safety.Coal Mine Safety Regulations[M].Beijing:Coal Industry Press,2010.

[2] Agarkar S A,Kulat K,Kshirsagar R.WSN based low cost and low power EPM design and field micro-climate analysis using recent embedded controllers[J].International Journal of Computer Applications,2010,12(6):24-28.

[3] Cao Xuhui，Lu Caiwu，Li Yuji.WI-FI in mine ventilation monitoring system[J].Manufactuaring Engineering & Autornation Ⅱ,2012,591:1835-1838.

[4] 王 桃.基于WiFi的煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2013. Wang Tao.Study on the Coal Mine Production Environment Monitoring and Warning System Based on WIFI Technology[D].Xi'an:Xi'an University of Architecture and Technology,2013.

[5] 孫 維.基于 Wi-Fi 技術(shù)的礦井無線通信系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].煤礦安全，2010(4):87-89. Sun Wei.The design and application of mine wireless communication system based on Wi-Fi technology[J].Mine Safety,2010(4):87-89.

[6] 蔡 衛(wèi).礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全性評價及其應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2004，29(2)：195-198. Cai Wei.The safety evaluation of the mine ventilation system and its application[J].Coal Society,2004,29(2):195-198.

[7] 喬鋼柱.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2013. Qiao Gangzhu.Design and Key Technology Research on Coal Mine Safety Comprehensive Monitoring System Based on Wireless Sensor Network[D].Lanzhou：Lanzhou University of Technology,2013.

[8] 孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005. Sun Limin.Wireless Sensor Networks[M].Beijing：Tsinghua University Press,2005.

[9] 楊 燁，董 惠.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009，32(17)：140-142. Yang Ye,Dong Hui.Based on ZigBee wireless sensor network node design[J].Modern Electronic Technology，2009,32(17):140-142.

[10] 張文波，馮永新，滕振宇.互聯(lián)網(wǎng)宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012. Zhang Wenbo,Feng Yongxin,Teng Zhenyu.Internet Macroscopic Topology[M].Beijing:National Defend Industry Press,2012.

[11] Catsoulis J.嵌入式硬件設(shè)計[M] 徐君明，陳振林，郭天杰，譯.北京：中國電力出版社，2004. Catsoulis J.Embedded Hardware Design[M].Xu Junming,Chen Zhenling,Guo Tianjin,Translate.Beijing:China Electric Power Press,2004.

[12] 黃孝斌，魏劍平，樊 勇,等.功率自適應(yīng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2008,12(1)：138-140. Huang Xiaobin,Wei Jianping,Fan Yong,et al.Power adaptive sensor networks and its application[J].Microcomputer Information,2008,12(1):138-140.

[13] 章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(7)：184-187. Zhang Weicong,Yu Xinwu,Li Zhongcheng.Design a wireless network based on the CC2530 ZigBee protocol stack sensor nodes[J].Computer Systems & Applications,2011,20(7):184-187.

[14] 呂西午，劉開華，趙 巖.基于Zigbee的無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程，2010，36(5)：243-247. Lu Xiwu,Liu Kaihua,Zhao Yan.Design and implementation of Zigbee-based wireless monitoring system[J].Computer Engineering,2010,36(5):243-247.

[15] 李志方，鐘洪聲.IEEE802.15.4的CC2530無線數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11(7)：15-19. Li Zhifang,Zhong Hongsheng.A IEEE802.15.4 the CC2530 wireless data transceiver design[J].Microcontrollers & Embedded Systems Applications,2011,11(7):15-19.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Testing System and Software Development of Mine Ventilation Based on Wireless Sensor

Yang Yanguo Wang Yi Zhou Xinyu

(MiningCollege,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

The traditional ventilation resistance test method has feature of low precision and complex operation,a multi-parameter wireless test mine ventilation system based on wireless sensor network technology is proposed.Designing of system hardware and software is focused on,where CC2530 chip is considered as the control core processor of hardware.Both 51 single chips and the RF technology are integrated as a whole to realize data communication with the MAX232 and PC.Meanwhile,on the basis of Z_TACK communication protocol stack,C language is adopted to write the key control program in software.The system can achieve real-time monitoring of temperature,humidity and barometric pressure at two points within the underground roadway,and truly realize automation,high precision and network of mine ventilation resistance testing.

Mine ventilation resistance,Wireless sensor network,Testing system,Hardware design,Software design,Monitor,Transmission module

2015-03-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51174106)。

楊艷國(1971—),男,副教授。

TD727

A

1001-1250(2015)-05-149-04