龍祖連，王麗磊，幸敏

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧，530023）

0 引言

煤礦在開(kāi)采過(guò)程中井下的環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，在礦井里面有很多我們不可預(yù)知的環(huán)境條件，為了防止礦井安全事故的發(fā)生，需要對(duì)礦井下面的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(shù)的在各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展和應(yīng)用，更多的設(shè)備的介入及無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)用于感知信息采集監(jiān)測(cè)的行業(yè)越來(lái)越廣泛。當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)主要以藍(lán)牙、WiFi 為主，這些技術(shù)傳輸距離短、功耗大、不易組網(wǎng)等問(wèn)題，Zigbee技術(shù)作為一種新型的低功耗、遠(yuǎn)距離技術(shù)，利用其自身的自組網(wǎng)技術(shù)，不受外界干擾，安全性高，易組網(wǎng)等特點(diǎn)。本文將通過(guò)Zigbee 技術(shù)在礦井環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究中，利用ZigBee 自組網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)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(tái)。該系統(tǒng)的研究解決了礦井里面環(huán)境復(fù)雜數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分散、組網(wǎng)難等問(wèn)題，提高我們物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)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(shù)特點(diǎn)組建了礦井黃金信息監(jiān)測(cè)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(luò)層（組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)傳輸部分)及應(yīng)用層（上位機(jī)及人機(jī)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(diǎn)數(shù)據(jù)采集，主要是利用終端節(jié)點(diǎn)上的CC2530 單片機(jī)對(duì)礦井下可燃?xì)怏w、溫濕度、一氧化碳含量及煙霧濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)感知及采集，利用Zigbee 自組網(wǎng)的特點(diǎn)，在礦井下面組建自己的網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)以無(wú)線的傳輸?shù)姆绞絽R總到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將我們的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)，最后傳輸?shù)接脩?hù)控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。井下節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2 所示。

圖2 井下節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于Zigbee 技術(shù)礦井環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架由三部分構(gòu)成，一是系統(tǒng)感知層，用于傳感器對(duì)礦井環(huán)境信息監(jiān)測(cè)及獲取；二是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層，用礦井里面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)之間傳遞；三是系統(tǒng)應(yīng)用層，對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)的礦井環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，感知層我們主要以傳感器技術(shù)為主，用于對(duì)礦井復(fù)雜的環(huán)境信息的數(shù)據(jù)采集。通過(guò)我們對(duì)礦井環(huán)境信息的了解及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(duì)這些因素我們結(jié)合實(shí)際情況采用溫濕度、CO濃度、煙霧傳感器等作為我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)的感知層，用于礦井環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，感知層節(jié)點(diǎn)框圖如圖3 所示。

圖3 感知層節(jié)點(diǎn)框圖

■2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式有很多，比如WiFi、藍(lán)牙、Zigbee、NB-IOT 等，我們通過(guò)對(duì)礦井環(huán)境信息的復(fù)雜性、特殊性等，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的這些傳輸方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得出在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中Zigbee 無(wú)線傳輸方式是最適合我們的使用。Zigbee 無(wú)線傳輸具有自組網(wǎng)、低成本、低功耗、可靠及安全等特點(diǎn)。所謂的自組網(wǎng)技術(shù)就是在不需要外部網(wǎng)絡(luò)的情況下，在礦井下面就可以組建Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)；Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)根據(jù)組網(wǎng)類(lèi)型的不同提供了三種，分別是星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀。根據(jù)礦井環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選擇的是樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的組網(wǎng)類(lèi)型，具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4

樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)頂端協(xié)調(diào)器，下面有終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，消息先往上傳再往下傳，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器建立的，協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)可以是路由或終端節(jié)點(diǎn)。

■2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用層主要是人機(jī)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(guò)Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)傳輸?shù)轿覀兊目刂剖?，?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及預(yù)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(shè)計(jì)

■3.1 信息采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

礦井信息采集節(jié)點(diǎn)主要由CC2530 微處理器、傳感器采集電路等構(gòu)成，如圖5 所示。CC2530 主控芯片具有低功耗、低延時(shí)等特點(diǎn)，負(fù)責(zé)周期性地將傳感器采集的數(shù)據(jù)上報(bào)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(diǎn)采集電路框圖

■3.2 zigbee 模塊硬件設(shè)計(jì)

Zigbee 模塊電路時(shí)基于CC2530 芯片來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，CC2530 是TI 公司推出的一款芯片，里面包含了51 單片機(jī)的內(nèi)核與Zigbee 技術(shù)，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(hù)的使用環(huán)境需求，可以將一個(gè)Zigbee 模塊設(shè)置為終端節(jié)點(diǎn)、路由器及協(xié)調(diào)器三種模式，再選擇組網(wǎng)的類(lèi)型。在本礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，選擇的是樹(shù)形組網(wǎng)類(lèi)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(jī)相對(duì)于51 單片機(jī)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有那么多IO口可以使用，但CC2530 單片機(jī)內(nèi)部有著豐富資源，自帶ADC 轉(zhuǎn)換、PWM 波輸出、兩路串口通信等，通過(guò)寄存器配置，可以把普通的IO 配置成外設(shè)功能使用，為我們的設(shè)計(jì)提供了許多便捷，IO 口具體外設(shè)功能映射如表2 所示。

表2 CC2530 IO口外設(shè)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?cè)O(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)硬件主要是由Zigbee 模塊來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)、傳輸及控制。在編寫(xiě)代碼時(shí)，我們只要時(shí)通道號(hào)、地址設(shè)置相同，在下載代碼時(shí)在編程環(huán)境里選擇對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)器、終端、路由選項(xiàng)下載到對(duì)應(yīng)的Zigbee 模塊就可以，最后協(xié)調(diào)器就通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行牡能浖M(jìn)行顯示。

4 分析與結(jié)論

為了驗(yàn)證我們?cè)O(shè)計(jì)的礦井環(huán)境信息監(jiān)測(cè)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?biāo)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室放置不同的終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)放置路由節(jié)點(diǎn)來(lái)增加傳輸距離，在用戶(hù)控制中心使用協(xié)調(diào)器匯總組網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)轿覀兊挠脩?hù)控制中心，下圖是我們用戶(hù)中心接到數(shù)據(jù)的界面，如圖8 所示。用戶(hù)可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，設(shè)置對(duì)應(yīng)的報(bào)警參數(shù)值，以保證作業(yè)人員的人身安全。

圖8 用戶(hù)控制中心界面

為了保障礦井下作業(yè)人員在井下復(fù)雜環(huán)境作業(yè)生命安全，我們提出并設(shè)計(jì)了基于Zigbee 礦井環(huán)境信息監(jiān)測(cè)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(méi)有手機(jī)信號(hào)不能傳輸數(shù)據(jù)等問(wèn)題；礦井下作業(yè)空間小，環(huán)境復(fù)雜，我們的Zigbee 礦井環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用Zigbee 自組網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)測(cè)試結(jié)果顯示，完全解決了整個(gè)礦井的環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保障作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境安全。