蘇 波 謝東海 張 軒 孟 遠

國內大部分礦井有害氣體無線監(jiān)測系統通過廣泛布線方式實現數據采集和傳輸，該方式存在有害氣體傳感器監(jiān)測節(jié)點可移動性差、組網技術復雜[1]，一旦有線網絡遭受損壞將伴隨著整個有害氣體監(jiān)測系統的癱瘓，因此迫切需要構建一種結構靈活、組網簡單快捷、監(jiān)測數據傳輸可靠的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統。隨著現代通信技術/物聯網技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網絡的作為一種優(yōu)選方案運用于礦井環(huán)境數據監(jiān)測。

為了解決上述問題，文章提出一種基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統，系統可用于礦井生產與管理的安全領域，能夠實時掌握煤礦井下不同巷道、工作面的有害氣體濃度情況，為礦井通風量的準確計算、分配提供實時有效的技術參數，達到及時、有效合理通風。從而能夠及時發(fā)現和排除有害氣體超限或者積聚等帶來的安全隱患。

1 系統總體框架設計

圖1基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統框架圖

基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統由ZigBee無線傳感器網絡[2]、井下骨干交換機、地面核心交換機、調度主機、打印機組成。無線部分主要由ZigBee無線傳感器網絡構成，ZigBee無線傳感器網絡由ZigBee網絡協議將無線傳感器監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點以及協調器節(jié)點組建成一個無線通信網絡。ZigBee網絡負責數據的采集轉發(fā)，然后通過將數據傳輸給井下WiFi基站，WiFi基站通過CAN總線將數據進一步傳輸給井下骨干交換機，井下骨干交換機把數據通過千兆工業(yè)以太網線纜傳輸到地面核心交換機，最終將數據傳輸給調度主機。調度主機實現監(jiān)測數據顯示、預警閾值參數的設定、數據保存、歷史數據的查詢等功能。并將當前數據與提前設定的閾值進行分析比對，對有害氣體濃度超限情況進行等級劃分，通過GPRS控制預警短信的發(fā)送。整套系統比較全面地將無線傳感網絡靈活性和自組網與井下開采環(huán)境相結合，使得地面監(jiān)測中心能夠更加準確、靈活的監(jiān)測有害氣體濃度的變化，系統整體框架如圖1所示。

2 系統硬件設計

基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統，該系統硬件主要由有線網和無線網兩部分構成，其中有線網包括地面調度系統和地下主干巷道兩部分構成，無線網由有害氣體無線傳感器監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點以及協調器節(jié)點三部分組成，有線網和無線網通過WiFi基站（WiFi AP）構成一套完整的基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統。調度主機可通過GPRS模塊將監(jiān)測預警信息以短信透傳方式發(fā)送給礦井主要負責人，有線網保障礦井數據傳輸的確定性和實時性；無線網可確保監(jiān)測地點的靈活性和數據的有效性。該系統可增加監(jiān)測節(jié)點，擴展無線監(jiān)測系統的覆蓋范圍，具有規(guī)模大、自組織網絡、成本低、布設靈活、移動支持等特點，可增加了調度主機GPRS模塊無線信息傳輸的方式，在時間和空間上有效地實現了礦井地面和井下靈活、開放、及時、有效的有害氣體監(jiān)測網絡，適用于礦井有害氣體監(jiān)測領域。

ZigBee網絡硬件設計，ZigBee網絡的硬件部分主要由無線傳感器監(jiān)測節(jié)點、路由節(jié)點和協調器節(jié)點三大模塊組成。其中無線傳感器監(jiān)測節(jié)點負責對巷道和工作面的有害氣體濃度數據進行采集，數據采集的精確度以及無線網絡傳輸性能傳輸性能將直接影響系統性能，本系統有害氣體傳感器將通過ADC7606（數模轉換模塊）將有害氣體濃度信號轉換為數字信號，并以通用數字接口形式傳輸給CC2530單片機進行處理和存儲，此外還集成蜂鳴預警模塊和無線發(fā)射模塊，當有害氣體濃度超過提前設定的閾值時，觸發(fā)蜂鳴預警功能，無線發(fā)射模塊負責有害氣體數據傳輸功能。

圖2無線傳感器監(jiān)測節(jié)點

3 無線傳感器網絡組網方案設計

Zigbee技術具有強大的組網功能，具體可以組成星型（Star）、樹形（Cluster Tree）和網狀型（Mesh）網絡[3]。本文無線傳感器網絡使用到Zigbee技術中的Mesh網絡結構，Mesh網絡結構由一個網關節(jié)點（協調器）和若干路由節(jié)點（路由器）和若干傳感器終端節(jié)點（終端設備）組成。Mesh網絡結構具有簡單靈活的信息路由規(guī)則，可保證各路由器之間可以實現通信，就算構建的無線傳感器網絡的某一節(jié)點出現故障，信息依舊可以通過調整到其他路線進行傳輸，Mesh網絡的這種特殊的路由機制[4]使得信息的通訊變得更有效率。Mesh網絡結構具有強大的功能，可以通過多級跳的通信方式實現大范圍的擴展井下監(jiān)測范圍，Mesh網絡結構可以在井下組成大規(guī)模且比較復雜的監(jiān)測網絡，但是其組網方式并不復雜，此外該網絡還具備自組織、自愈、自動路由和動態(tài)維護路由等功能。自動路由和動態(tài)維護路由兩大功能可以大大增加無線傳感器監(jiān)測網絡本身的冗余性，確保監(jiān)測的確定性以及保障井下無線傳感器監(jiān)測網絡的正常運行，適合用于井下復雜的監(jiān)測環(huán)境。

4 系統軟件設計及設備調試

4.1 監(jiān)測節(jié)點程序設計

該系統無線傳感器監(jiān)測節(jié)點的軟件部分利用MDK5編譯軟件實現了對程序的下載于編譯，監(jiān)測節(jié)點主要的程序設計分為5步：（1）節(jié)點電路上電后先對系統進行初始化，（2）測試按鍵處理，（3）有害氣體濃度采集處理，（4）系統故障檢測判斷，（5）有害氣體濃度采集處理。

4.2 設備測試

通過對圖3（從左往右分別為協調器節(jié)點、路由節(jié)點、兩塊相同的無線傳感器監(jiān)測節(jié)點）設備對有害氣體（這里包括甲烷和一氧化碳氣體）進行有害氣體監(jiān)測實驗，對各模塊進行供電以后，打開手機的熱點和專用APP軟件后，協調器節(jié)點的WiFi模塊自動連上手機，路由節(jié)點負責路由兩個無線傳感器監(jiān)測節(jié)點，無線傳感器監(jiān)測節(jié)點負責數據監(jiān)測、當監(jiān)測數據超過閾值時蜂鳴器預警模塊能進行預警，整個系統通過搭建ZigBee無線傳感器網絡實現。結果表明ZigBee無線傳感器網絡能夠精確采集并傳輸數據，并通過手機APP軟件將數據顯示出來，具有數據庫保存查詢功能。

圖3有害氣體監(jiān)測實驗

5 主要結論

（1）基于ZigBee的礦井有害氣體無線監(jiān)測系統，選擇Mesh網絡結構進行組網，實現了礦井各ZigBee無線傳感器網絡節(jié)點間的自動選擇路由和動態(tài)維護路由，網絡具備自組織和自愈功能。

（2）有害氣體傳感器監(jiān)測節(jié)點的硬件電路采用集成電路設計，以CC2530單片機作為核心處理器，集成有害氣體傳感器、ADC7606模數轉換芯片、蜂鳴器模塊、無線發(fā)射模塊，具有體積小、易于攜帶的特點。

（3）該系統實現了軟硬件，有線網絡與無線傳感器網絡的有機結合，達到監(jiān)測成本低、數據精確、具有廣泛應用前景。