龍祖連，王麗磊，幸敏

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西南寧，530023）

0 引言

煤礦在開采過程中井下的環(huán)境錯綜復雜，在礦井里面有很多我們不可預知的環(huán)境條件，為了防止礦井安全事故的發(fā)生，需要對礦井下面的環(huán)境信息進行實時監(jiān)測，以保證礦井下面的工作環(huán)境安全和穩(wěn)定，才能保證我們的安全生產(chǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的在各個領域的快速發(fā)展和應用，更多的設備的介入及無線組網(wǎng)技術用于感知信息采集監(jiān)測的行業(yè)越來越廣泛。當前物聯(lián)網(wǎng)無線組網(wǎng)技術主要以藍牙、WiFi 為主，這些技術傳輸距離短、功耗大、不易組網(wǎng)等問題，Zigbee技術作為一種新型的低功耗、遠距離技術，利用其自身的自組網(wǎng)技術，不受外界干擾，安全性高，易組網(wǎng)等特點。本文將通過Zigbee 技術在礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的研究中，利用ZigBee 自組網(wǎng)技術，通過感知層、網(wǎng)絡層及應用層，將我們礦井下面的環(huán)境信息傳到我們的控制室或云平臺。該系統(tǒng)的研究解決了礦井里面環(huán)境復雜數(shù)據(jù)采集點分散、組網(wǎng)難等問題，提高我們物聯(lián)網(wǎng)技術的應用領域。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)利用Zigbee 自組網(wǎng)、低功耗等技術特點組建了礦井黃金信息監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。系統(tǒng)主要包含感知層（傳感器數(shù)據(jù)采集部分)、網(wǎng)絡層（組網(wǎng)及網(wǎng)絡傳輸部分)及應用層（上位機及人機交互部分)。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

該系統(tǒng)硬件組成有終端節(jié)點數(shù)據(jù)采集，主要是利用終端節(jié)點上的CC2530 單片機對礦井下可燃氣體、溫濕度、一氧化碳含量及煙霧濃度等數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)感知及采集，利用Zigbee 自組網(wǎng)的特點，在礦井下面組建自己的網(wǎng)絡，并將數(shù)據(jù)以無線的傳輸?shù)姆绞絽R總到協(xié)調器，協(xié)調器再將我們的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關，最后傳輸?shù)接脩艨刂浦行?，實現(xiàn)對礦井內(nèi)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。井下節(jié)點組網(wǎng)結構圖，如圖2 所示。

圖2 井下節(jié)點組網(wǎng)結構圖

2 系統(tǒng)架構

基于Zigbee 技術礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)構架由三部分構成，一是系統(tǒng)感知層，用于傳感器對礦井環(huán)境信息監(jiān)測及獲??；二是系統(tǒng)網(wǎng)絡層，用礦井里面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)之間傳遞；三是系統(tǒng)應用層，對礦井環(huán)境數(shù)據(jù)的匯總顯示、執(zhí)行操作。

■2.1 系統(tǒng)感知層

在我們設計的礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)中，感知層我們主要以傳感器技術為主，用于對礦井復雜的環(huán)境信息的數(shù)據(jù)采集。通過我們對礦井環(huán)境信息的了解及現(xiàn)場調研，我們知道在礦井里面影響安全生產(chǎn)的主要因素有：滲水、缺氧、瓦斯爆炸等，針對這些因素我們結合實際情況采用溫濕度、CO濃度、煙霧傳感器等作為我們設計系統(tǒng)的感知層，用于礦井環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集，感知層節(jié)點框圖如圖3 所示。

圖3 感知層節(jié)點框圖

■2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡層

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡傳輸方式有很多，比如WiFi、藍牙、Zigbee、NB-IOT 等，我們通過對礦井環(huán)境信息的復雜性、特殊性等，對物聯(lián)網(wǎng)的這些傳輸方式進行對比試驗，得出在我們設計的系統(tǒng)中Zigbee 無線傳輸方式是最適合我們的使用。Zigbee 無線傳輸具有自組網(wǎng)、低成本、低功耗、可靠及安全等特點。所謂的自組網(wǎng)技術就是在不需要外部網(wǎng)絡的情況下，在礦井下面就可以組建Zigbee 無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)；Zigbee 組網(wǎng)技術根據(jù)組網(wǎng)類型的不同提供了三種，分別是星形、樹形和網(wǎng)狀。根據(jù)礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的設計，選擇的是樹型網(wǎng)絡拓撲圖的組網(wǎng)類型，具體的拓撲結構如圖4 所示。

圖4

樹型網(wǎng)絡由一個頂端協(xié)調器，下面有終端節(jié)點和路由節(jié)點，消息先往上傳再往下傳，整個網(wǎng)絡是由協(xié)調器建立的，協(xié)調器的子節(jié)點可以是路由或終端節(jié)點。

■2.3 系統(tǒng)應用層

根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，我們設計的系統(tǒng)應用層主要是人機交互這方面的內(nèi)容，將傳感器從礦井下采集到的環(huán)境信息，經(jīng)過Zigbee 組網(wǎng)技術傳輸?shù)轿覀兊目刂剖?，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測及預警，保障我們礦井的作業(yè)人員的生命安全。

3 系統(tǒng)硬件設計

■3.1 信息采集節(jié)點硬件設計

礦井信息采集節(jié)點主要由CC2530 微處理器、傳感器采集電路等構成，如圖5 所示。CC2530 主控芯片具有低功耗、低延時等特點，負責周期性地將傳感器采集的數(shù)據(jù)上報到Zigbee 模塊中。傳感器部分參數(shù)表如表1 所示。

表1 傳感器模塊參數(shù)表

圖5 節(jié)點采集電路框圖

■3.2 zigbee 模塊硬件設計

Zigbee 模塊電路時基于CC2530 芯片來進行設計，CC2530 是TI 公司推出的一款芯片，里面包含了51 單片機的內(nèi)核與Zigbee 技術，而且TI 提供了很好的Zigbee 協(xié)議棧以及解決方案。根據(jù)用戶的使用環(huán)境需求，可以將一個Zigbee 模塊設置為終端節(jié)點、路由器及協(xié)調器三種模式，再選擇組網(wǎng)的類型。在本礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，選擇的是樹形組網(wǎng)類型。Zigbee 模塊硬件電路圖如圖6 所示。

圖6 Zigbee 模塊硬件電路

CC2530 單片機相對于51 單片機來說，沒有那么多IO口可以使用，但CC2530 單片機內(nèi)部有著豐富資源，自帶ADC 轉換、PWM 波輸出、兩路串口通信等，通過寄存器配置，可以把普通的IO 配置成外設功能使用，為我們的設計提供了許多便捷，IO 口具體外設功能映射如表2 所示。

表2 CC2530 IO口外設功能映射表

根據(jù)我們使用傳感器的特性及引腳定義連接，我們設計的傳感器模塊與Zigbee 模塊硬件接口連接電路圖如圖7 所示。

圖7 傳感器與硬件接口圖

礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要是由Zigbee 模塊來完成數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)、傳輸及控制。在編寫代碼時，我們只要時通道號、地址設置相同，在下載代碼時在編程環(huán)境里選擇對應的協(xié)調器、終端、路由選項下載到對應的Zigbee 模塊就可以，最后協(xié)調器就通過串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行牡能浖?，進行顯示。

4 分析與結論

為了驗證我們設計的礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)采集信息、組網(wǎng)的及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、有效性等指標，我們在實驗室放置不同的終端節(jié)點，對數(shù)據(jù)進行采集，通過放置路由節(jié)點來增加傳輸距離，在用戶控制中心使用協(xié)調器匯總組網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)絡通信傳輸?shù)轿覀兊挠脩艨刂浦行?，下圖是我們用戶中心接到數(shù)據(jù)的界面，如圖8 所示。用戶可以根據(jù)應用環(huán)境的不同，設置對應的報警參數(shù)值，以保證作業(yè)人員的人身安全。

圖8 用戶控制中心界面

為了保障礦井下作業(yè)人員在井下復雜環(huán)境作業(yè)生命安全，我們提出并設計了基于Zigbee 礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)低功耗、自組網(wǎng)等功能解決了環(huán)境信息采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路布線、沒有手機信號不能傳輸數(shù)據(jù)等問題；礦井下作業(yè)空間小，環(huán)境復雜，我們的Zigbee 礦井環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)使用Zigbee 自組網(wǎng)無線通信技術，通過測試結果顯示，完全解決了整個礦井的環(huán)境監(jiān)測區(qū)域，達到設計要求，保障作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境安全。