陳 煒，張 瑩

(渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院,陜西 渭南 714000)

煤礦資源是非常重要的能源形式，在保障人們基本生活和促進(jìn)社會工業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用[1]。隨著人們對煤炭資源需求量的不斷提升，煤炭開采效率和數(shù)量均快速提升。由于地表煤炭資源總量是有限的，隨著長年累月的煤炭開采，淺層煤炭資源幾乎開采完畢，目前煤礦開采正朝著縱深方向發(fā)展[2]。在開采煤炭資源時，不可避免地會涌出瓦斯、CO等有毒有害氣體，同時會產(chǎn)生大量粉塵，且開采深度越深，上述問題越嚴(yán)重[3]。有毒有害氣體和粉塵輕則對井下工作人員的身體健康產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時引發(fā)煤礦安全生產(chǎn)事故，威脅井下人員生命安全[4]。近年來我國出現(xiàn)的多起煤礦安全生產(chǎn)事故均與礦井環(huán)境中的瓦斯、CO、粉塵等存在關(guān)聯(lián)。所以有必要設(shè)計研究煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，對礦井中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，保障煤礦安全[5]。本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了安全監(jiān)控系統(tǒng)，并將其部署到煤礦生產(chǎn)實踐中，取得了很好的效果。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 ZigBee技術(shù)概述

(1)ZigBee協(xié)議棧。ZigBee協(xié)議棧包含有多層結(jié)構(gòu)，具體包含4個，分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層以及物理層，每個層級都具有其應(yīng)有的功能，通過接入點實現(xiàn)不同層級之間的相互服務(wù)與支持[6]。ZigBee協(xié)議棧的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧的主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of ZigBee protocol stack

(2)ZigBee主要設(shè)備類型。ZigBee技術(shù)涉及的設(shè)備包含很多種類型，但在本文研究的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，主要使用2種設(shè)備類型，分別為協(xié)調(diào)器設(shè)備和終端節(jié)點設(shè)備，上述兩種設(shè)備之間可以基于ZigBee無線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，在工業(yè)領(lǐng)域得到很廣泛的應(yīng)用，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，確保數(shù)據(jù)不丟失[7]。通常情況下，一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中只需要設(shè)置1個協(xié)調(diào)器設(shè)備即可，屬于整個無線網(wǎng)絡(luò)的中心，需要完成無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建同時接收其他終端節(jié)點加入無線網(wǎng)絡(luò)的請求，也要負(fù)責(zé)對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)。協(xié)調(diào)器設(shè)備的穩(wěn)定運行是確保ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)正常工作的基礎(chǔ)和前提，要求協(xié)調(diào)器設(shè)備時刻處于工作狀態(tài)。終端節(jié)點設(shè)備的作用是收集傳感器采集獲得的數(shù)據(jù)信息，并將其傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器設(shè)備中。由于終端節(jié)點設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)和功耗都比較簡單和低。因此，可以利用電池對其進(jìn)行供電。終端節(jié)點設(shè)備不要求時刻處于工作狀態(tài)，根據(jù)指令進(jìn)行工作即可，其他時間處于待機狀態(tài)。

1.2 整體方案設(shè)計

基于先進(jìn)的ZigBee技術(shù)構(gòu)建安全監(jiān)控系統(tǒng)，目前ZigBee技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有多種形式，包括星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、樹形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等[8]。本研究選用星型ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)建立監(jiān)控系統(tǒng)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案如圖2所示。

圖2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案框架Fig.2 Overall scheme framework of coal mine safety monitoring system

由圖2可知，安全監(jiān)控系統(tǒng)整體上可以劃分成為3大部分，分別為上位機系統(tǒng)、協(xié)調(diào)器設(shè)備和終端節(jié)點設(shè)備。其中，終端節(jié)點設(shè)備的主要作用是對礦井中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。涉及煤塵檢測、溫度和濕度檢測、一氧化碳檢測和瓦斯?jié)舛葯z測等電路，還包括電源電路、復(fù)位電路、斷電電路等。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點中均使用CC2530處理器模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)射或接受，且都可以使用5 V DC電源和USB電源對各項硬件設(shè)施進(jìn)行供電，也可直接使用干電池進(jìn)行供電，具有體積小、功耗低等優(yōu)勢。終端節(jié)點設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備之間基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互，協(xié)調(diào)器與上位機之間基于RS-232通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。由于礦井涉及范圍非常廣，因此需要在礦井中很多位置尤其是關(guān)鍵位置設(shè)置終端節(jié)點設(shè)備，以便能夠?qū)ΦV井全范圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。上位機系統(tǒng)可以對采集獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示、存儲以及查詢。如果系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)煤礦中的環(huán)境參數(shù)超過了設(shè)定的安全閾值，會向外發(fā)出聲光警報，提示工作人員采取對應(yīng)的應(yīng)急措施。

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)施選型設(shè)計

2.1 CC2530處理器電路模塊

基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，首先需要建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，涉及終端節(jié)點設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備，以上2項設(shè)備均選用CC2530型號芯片。該型號芯片不僅具有單片機的功能，內(nèi)部還包括無線發(fā)射器和接收器硬件設(shè)施，能夠完成數(shù)據(jù)信息的發(fā)射和接收工作。使用的8051內(nèi)核具有良好的運算性能，完全能夠滿足本安全監(jiān)控系統(tǒng)的實際工作需要。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中CC2530芯片的主要作用是對傳感器采集獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，并基于建立的無線網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行發(fā)射和接收。

完成封裝工作后的CC2530處理器芯片規(guī)格尺寸只有6 mm×6 mm，但具有40個引腳，可以與多種類型的硬件設(shè)施進(jìn)行連接,實現(xiàn)功能的拓展和數(shù)據(jù)交互[9]。能夠正常工作的電壓范圍比較寬，具體為2～3.6 V。工作時的功耗相對較低，最低時工作電流可以達(dá)到0.2 mA，具有相對較高的運行速度，正常工作時的工作頻率可以達(dá)到32 Hz。

2.2 電源電路模塊

安全監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時涉及很多硬件設(shè)施，并且不同的硬件對供電電壓的需求存在一定差異。對于本系統(tǒng)而言，需要用到的電壓類型包括+3、+3.3、±5 V，均要求為直流電源。外部只能夠提供+5 V直流電源，需要利用專門的電源電路模塊將+5 V電源轉(zhuǎn)化成為其他3種類型的電源對系統(tǒng)中的硬件設(shè)施進(jìn)行供電，需要設(shè)計3個電源轉(zhuǎn)換電路，使用的電源芯片型號分別為HT7530、HT7533和ICL7660。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Power conversion circuit

HT7533和HT7530型號芯片均采用的是COMS技術(shù)，該芯片具有3個端口對電壓進(jìn)行調(diào)整，具有功耗低的特點，可以調(diào)整的電壓也相對較高，最高可以對24 V的直流電源進(jìn)行電壓調(diào)整，輸出的電壓具有很好的穩(wěn)定性，誤差大小可以控制在3%范圍以內(nèi)。ICL 7660型號芯片是一種專門針對電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換的芯片，正常工作時的電流和頻率分別為170 μA和10 kHz，可以輸出的電壓范圍比較寬，可以根據(jù)實際需要在1.5～10.0 V內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。

2.3 傳感器接口電路設(shè)計

傳感器的作用是對礦井環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時采集，其性能好壞會對安全監(jiān)控系統(tǒng)運行的可靠性產(chǎn)生重要影響。本系統(tǒng)中設(shè)置的終端節(jié)點設(shè)備中，設(shè)置有4種類型的傳感器，分別對煤礦環(huán)境中的粉塵、溫濕度、瓦斯和CO狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測。由于礦井的環(huán)境比較復(fù)雜，對安全性能要求較高，因此選用的傳感器必須是本質(zhì)安全型設(shè)備。

(1)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測電路。煤礦開采中瓦斯涌出是不可避免的問題，為了保障井下安全，通常要求瓦斯?jié)舛炔坏贸^1%，一些礦井要求瓦斯?jié)舛炔坏贸^0.75%。選用MJC4-3.0L型防爆瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗ΦV井中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，可以檢測的瓦斯?jié)舛确秶鸀?～4%。該傳感器具有良好的響應(yīng)速度，運行過程穩(wěn)定、可靠，在工業(yè)實踐中取得了很好的效果。瓦斯監(jiān)測及其報警電路如圖4所示。

圖4 瓦斯監(jiān)測及其報警電路示意Fig.4 Schematic diagram of gas monitoring and alarm circuit

由于傳感器檢測獲得的信號比較弱，需要利用INT118型放大芯片對信號進(jìn)行放大處理后再傳入到CC2530芯片中進(jìn)行處理。該芯片需要采用+5 V和-5 V的雙電壓對其進(jìn)行供電。如果瓦斯?jié)舛瘸^了系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值，會通過揚聲器以及LED燈向外發(fā)出聲光警報，提示工作人員及時采取措施進(jìn)行處理。

(2)CO濃度監(jiān)測電路。煤礦中會包含有一定濃度的CO，為了確保井下工作人員的安全要求，濃度不得超過0.002 4%，選用MQ-7型CO濃度傳感器對煤礦中的CO參數(shù)進(jìn)行實時檢測。CO濃度監(jiān)測接口電路原理如圖5所示。由圖5可知，CO濃度監(jiān)測接口電路總共設(shè)置了2個輸出端，其中1個端口輸出的是電平信號，另1個端口輸出的是CO濃度模擬量電壓信號。使用傳感器對煤礦CO濃度進(jìn)行檢測時，首先需要在系統(tǒng)中設(shè)置1個CO濃度安全閾值，即為0.002 4%。如果實際結(jié)果低于安全閾值，則會向外輸出1個低平信號，如果檢測發(fā)現(xiàn)CO濃度超過了安全閾值，則會向外輸出1個高平信號，系統(tǒng)根據(jù)低平信號和高平信號來判斷CO濃度是否超標(biāo)。

圖5 CO濃度監(jiān)測接口電路原理Fig.5 Principle of CO concentration monitoring interface circuit

(3)粉塵濃度監(jiān)測電路。系統(tǒng)中使用DSM501A型粉塵傳感器對煤礦中的粉塵濃度進(jìn)行檢測，主要是利用光學(xué)原理對空氣中的微小顆粒濃度進(jìn)行檢測，屬于非接觸式設(shè)備，不會對被檢測對象產(chǎn)生干擾。

(4)溫濕度監(jiān)測電路。溫濕度是煤礦中非常重要的環(huán)境參數(shù)，溫濕度是否合適會直接決定礦井工作人員身體的舒適性。一般情況下，最舒適的溫度范圍為18～24 ℃，濕度范圍為40%～62%。研究中使用DHT11型溫濕度傳感器對礦井環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行檢測。溫濕度監(jiān)測接口電路原理如圖6所示。利用該檢測電路可直接獲得數(shù)字量信號，并將結(jié)果輸入到控制器中進(jìn)行分析處理。

圖6 溫濕度監(jiān)測接口電路原理Fig.6 Principle of temperature and humidity monitoring interface circuit

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

對于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)而言，硬件設(shè)施是保障其各項功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，但是還要配套使用軟件程序才能夠確保硬件設(shè)施功能的實現(xiàn)[10]。軟件程序是監(jiān)控系統(tǒng)的“大腦”，控制著系統(tǒng)的運行，且決定著系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。研究中上位機系統(tǒng)的軟件程序基于VS2010軟件平臺進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，下位機系統(tǒng)即協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點的軟件程序在Iar Emvedded Workbench編譯環(huán)境中實現(xiàn)。

3.1 協(xié)調(diào)器設(shè)備軟件程序設(shè)計

在基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器是非常重要和關(guān)鍵的硬件設(shè)施，是建立終端節(jié)點與上位機系統(tǒng)之間的橋梁。不僅要負(fù)責(zé)構(gòu)建基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的請求，同時還需要基于RS-232通信協(xié)議實現(xiàn)與上位機系統(tǒng)之間的連接，將終端節(jié)點采集得到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C中進(jìn)行存儲、分析和處理。協(xié)調(diào)器設(shè)備的主要軟件程序流程如圖7所示。由圖7可知，安全監(jiān)控系統(tǒng)通電開始運行后，首先需要對ZigBee協(xié)議棧以及各項硬件設(shè)施進(jìn)行初始化處理，然后對信道進(jìn)行掃描并構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，完成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作后，允許各個子節(jié)點加入無線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器需要對每個節(jié)點分配物理地址，才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸。協(xié)調(diào)器通過RS-232串口將接收到的數(shù)據(jù)信息上傳至上位機系統(tǒng)中進(jìn)行分析處理。

3.2 終端節(jié)點設(shè)備軟件程序設(shè)計

終端節(jié)點設(shè)備是監(jiān)控系統(tǒng)中的重要基礎(chǔ)，主要利用節(jié)點設(shè)備對煤礦中各個位置的環(huán)境狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實時準(zhǔn)確的采集。由控制芯片和各類專業(yè)的傳感器等部分構(gòu)成。終端節(jié)點設(shè)備需要將傳感器檢測獲得的數(shù)據(jù)信息基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器中。終端節(jié)點設(shè)備的主要軟件程序流程如圖8所示。由圖8可知，監(jiān)控系統(tǒng)通電運行以后，同樣需要對ZigBee協(xié)議棧以及各項硬件設(shè)施進(jìn)行初始化處理，然后申請加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點入網(wǎng)申請后，會給每個節(jié)點分配16位物理地址。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，等待指令對環(huán)境中的信息參數(shù)進(jìn)行采集，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器。

圖7 協(xié)調(diào)器設(shè)備的主要軟件程序流程Fig.7 Main software program flow of coordinator equipment

圖8 終端節(jié)點設(shè)備的主要軟件程序流程Fig.8 Main software program flow of terminal node equipment

3.3 上位機軟件設(shè)計

上位機的作用是對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析，并以圖形的形式直觀化展示，涉及的功能包括用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、通信監(jiān)控、數(shù)據(jù)信息查詢、圖表繪制等。數(shù)據(jù)信息基于RS-232通信串口從協(xié)調(diào)器中獲得，該過程通過MSComm控件完成，串口通信的主要工作流程如圖9所示。從圖9中可以看出，串口在打開前首先需要對相關(guān)的信息進(jìn)行設(shè)置，如果串口已經(jīng)打開，則需要先將其關(guān)閉再進(jìn)行設(shè)置，然后再打開對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和發(fā)送。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)正常運行過程中會產(chǎn)生大量

圖9 串口通信的主要工作流程Fig.9 Main workflow of serial communication

的數(shù)據(jù)信息，包括用戶注冊信息、系統(tǒng)設(shè)置信息以及傳感器檢測獲得的數(shù)據(jù)信息，比如粉塵數(shù)據(jù)、CO數(shù)據(jù)、瓦斯數(shù)據(jù)、溫度和濕度數(shù)據(jù)等，龐大的數(shù)據(jù)量需要建立科學(xué)完善的數(shù)據(jù)庫對其進(jìn)行分類存儲。本研究中利用SQL Server 2005構(gòu)建數(shù)據(jù)庫對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲，方便后續(xù)數(shù)據(jù)信息的查詢。建立的數(shù)據(jù)庫中共包含有3個表格，分別用來存儲傳感器檢測獲得的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、監(jiān)控系統(tǒng)的用戶信息、系統(tǒng)報警信息。為了保障監(jiān)控系統(tǒng)運行過程的安全性，所有用戶需要驗證用戶名和密碼后才能登錄系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置并查看數(shù)據(jù)信息。

4 應(yīng)用效果分析

為了對設(shè)計的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗證，將其部署到某煤礦工程實踐中，并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行連續(xù)3個月時間的現(xiàn)場測試，測試期間根據(jù)現(xiàn)場中暴露的問題對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)過現(xiàn)場測試以后，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)可以對礦井中各個部位的環(huán)境參數(shù)，包括CO、瓦斯、粉塵等情況進(jìn)行實時準(zhǔn)確的監(jiān)測。整體而言，監(jiān)控系統(tǒng)運行過程比較穩(wěn)定可靠，各項功能都能夠?qū)崿F(xiàn)。上位機系統(tǒng)對監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)信息能夠快速處理，并實時在監(jiān)控大屏上進(jìn)行顯示。基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)能夠有效保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性，基本沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題。如果礦井中的環(huán)境參數(shù)超過了系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值，系統(tǒng)可以快速向外發(fā)出聲光警報。設(shè)計的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，整體性能穩(wěn)定可靠，為保障煤礦安全生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

以煤礦中的安全問題為研究對象，基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，所得結(jié)論如下。

(1)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)整體上可以劃分成為3大部分，終端節(jié)點設(shè)備的作用是利用傳感器對煤礦中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測，并基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)輸送到協(xié)調(diào)器設(shè)備中，協(xié)調(diào)器通過RS-232串口實現(xiàn)與上位機系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

(2)終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器中使用的芯片模塊型號均為CC2530，該芯片中集成有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能，可以完成煤礦環(huán)境參數(shù)的發(fā)射和接收工作。對煤礦中使用的4類傳感器型號進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

(3)軟件程序是確保安全監(jiān)控系統(tǒng)各項功能實現(xiàn)的重要基礎(chǔ)，對終端節(jié)點設(shè)備、協(xié)調(diào)器設(shè)備和上位機系統(tǒng)的主要軟件程序進(jìn)行了研究介紹。

(4)將設(shè)計的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)部署到工程實踐中，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試以后發(fā)現(xiàn)各項功能都能夠?qū)崿F(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。能夠?qū)ΦV井環(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確及時的檢測，并對外發(fā)出聲光警報，為煤礦安全生產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。