蘇 波 謝東海 張 軒 孟 遠(yuǎn)

國(guó)內(nèi)大部分礦井有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)廣泛布線方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，該方式存在有害氣體傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)性差、組網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜[1]，一旦有線網(wǎng)絡(luò)遭受損壞將伴隨著整個(gè)有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的癱瘓，因此迫切需要構(gòu)建一種結(jié)構(gòu)靈活、組網(wǎng)簡(jiǎn)單快捷、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸可靠的礦井有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作為一種優(yōu)選方案運(yùn)用于礦井環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

為了解決上述問(wèn)題，文章提出一種基于ZigBee的礦井有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可用于礦井生產(chǎn)與管理的安全領(lǐng)域，能夠?qū)崟r(shí)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(fēng)量的準(zhǔn)確計(jì)算、分配提供實(shí)時(shí)有效的技術(shù)參數(shù)，達(dá)到及時(shí)、有效合理通風(fēng)。從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除有害氣體超限或者積聚等帶來(lái)的安全隱患。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

圖1基于ZigBee的礦井有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

基于ZigBee的礦井有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]、井下骨干交換機(jī)、地面核心交換機(jī)、調(diào)度主機(jī)、打印機(jī)組成。無(wú)線部分主要由ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組建成一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)發(fā)，然后通過(guò)將數(shù)據(jù)傳輸給井下WiFi基站，WiFi基站通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸給井下骨干交換機(jī)，井下骨干交換機(jī)把數(shù)據(jù)通過(guò)千兆工業(yè)以太網(wǎng)線纜傳輸?shù)降孛婧诵慕粨Q機(jī)，最終將數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)度主機(jī)。調(diào)度主機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示、預(yù)警閾值參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)的查詢等功能。并將當(dāng)前數(shù)據(jù)與提前設(shè)定的閾值進(jìn)行分析比對(duì)，對(duì)有害氣體濃度超限情況進(jìn)行等級(jí)劃分，通過(guò)GPRS控制預(yù)警短信的發(fā)送。整套系統(tǒng)比較全面地將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)靈活性和自組網(wǎng)與井下開(kāi)采環(huán)境相結(jié)合，使得地面監(jiān)測(cè)中心能夠更加準(zhǔn)確、靈活的監(jiān)測(cè)有害氣體濃度的變化，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee的礦井有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件主要由有線網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)兩部分構(gòu)成，其中有線網(wǎng)包括地面調(diào)度系統(tǒng)和地下主干巷道兩部分構(gòu)成，無(wú)線網(wǎng)由有害氣體無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三部分組成，有線網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)通過(guò)WiFi基站（WiFi AP）構(gòu)成一套完整的基于ZigBee的礦井有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。調(diào)度主機(jī)可通過(guò)GPRS模塊將監(jiān)測(cè)預(yù)警信息以短信透?jìng)鞣绞桨l(fā)送給礦井主要負(fù)責(zé)人，有線網(wǎng)保障礦井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和實(shí)時(shí)性；無(wú)線網(wǎng)可確保監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的靈活性和數(shù)據(jù)的有效性。該系統(tǒng)可增加監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的覆蓋范圍，具有規(guī)模大、自組織網(wǎng)絡(luò)、成本低、布設(shè)靈活、移動(dòng)支持等特點(diǎn)，可增加了調(diào)度主機(jī)GPRS模塊無(wú)線信息傳輸?shù)姆绞?，在時(shí)間和空間上有效地實(shí)現(xiàn)了礦井地面和井下靈活、開(kāi)放、及時(shí)、有效的有害氣體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，適用于礦井有害氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的硬件部分主要由無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三大模塊組成。其中無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)巷道和工作面的有害氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集的精確度以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能傳輸性能將直接影響系統(tǒng)性能，本系統(tǒng)有害氣體傳感器將通過(guò)ADC7606（數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊）將有害氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并以通用數(shù)字接口形式傳輸給CC2530單片機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，此外還集成蜂鳴預(yù)警模塊和無(wú)線發(fā)射模塊，當(dāng)有害氣體濃度超過(guò)提前設(shè)定的閾值時(shí)，觸發(fā)蜂鳴預(yù)警功能，無(wú)線發(fā)射模塊負(fù)責(zé)有害氣體數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖2無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

Zigbee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)功能，具體可以組成星型（Star）、樹(shù)形（Cluster Tree）和網(wǎng)狀型（Mesh）網(wǎng)絡(luò)[3]。本文無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用到Zigbee技術(shù)中的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）和若干路由節(jié)點(diǎn)（路由器）和若干傳感器終端節(jié)點(diǎn)（終端設(shè)備）組成。Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單靈活的信息路由規(guī)則，可保證各路由器之間可以實(shí)現(xiàn)通信，就算構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，信息依舊可以通過(guò)調(diào)整到其他路線進(jìn)行傳輸，Mesh網(wǎng)絡(luò)的這種特殊的路由機(jī)制[4]使得信息的通訊變得更有效率。Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的功能，可以通過(guò)多級(jí)跳的通信方式實(shí)現(xiàn)大范圍的擴(kuò)展井下監(jiān)測(cè)范圍，Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在井下組成大規(guī)模且比較復(fù)雜的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，但是其組網(wǎng)方式并不復(fù)雜，此外該網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈、自動(dòng)路由和動(dòng)態(tài)維護(hù)路由等功能。自動(dòng)路由和動(dòng)態(tài)維護(hù)路由兩大功能可以大大增加無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)本身的冗余性，確保監(jiān)測(cè)的確定性以及保障井下無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，適合用于井下復(fù)雜的監(jiān)測(cè)環(huán)境。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及設(shè)備調(diào)試

4.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件部分利用MDK5編譯軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)程序的下載于編譯，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要的程序設(shè)計(jì)分為5步：（1）節(jié)點(diǎn)電路上電后先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，（2）測(cè)試按鍵處理，（3）有害氣體濃度采集處理，（4）系統(tǒng)故障檢測(cè)判斷，（5）有害氣體濃度采集處理。

4.2 設(shè)備測(cè)試

通過(guò)對(duì)圖3（從左往右分別為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、兩塊相同的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)）設(shè)備對(duì)有害氣體（這里包括甲烷和一氧化碳?xì)怏w）進(jìn)行有害氣體監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)各模塊進(jìn)行供電以后，打開(kāi)手機(jī)的熱點(diǎn)和專用APP軟件后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的WiFi模塊自動(dòng)連上手機(jī)，路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)路由兩個(gè)無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)蜂鳴器預(yù)警模塊能進(jìn)行預(yù)警，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)搭建ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠精確采集并傳輸數(shù)據(jù)，并通過(guò)手機(jī)APP軟件將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，具有數(shù)據(jù)庫(kù)保存查詢功能。

圖3有害氣體監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

5 主要結(jié)論

（1）基于ZigBee的礦井有害氣體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選擇Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了礦井各ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的自動(dòng)選擇路由和動(dòng)態(tài)維護(hù)路由，網(wǎng)絡(luò)具備自組織和自愈功能。

（2）有害氣體傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件電路采用集成電路設(shè)計(jì)，以CC2530單片機(jī)作為核心處理器，集成有害氣體傳感器、ADC7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、蜂鳴器模塊、無(wú)線發(fā)射模塊，具有體積小、易于攜帶的特點(diǎn)。

（3）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟硬件，有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到監(jiān)測(cè)成本低、數(shù)據(jù)精確、具有廣泛應(yīng)用前景。