雷 霖,楊偉強

(1.成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川成都 610106;2.電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院,四川成都 611731)

0 引 言

目前,國內(nèi)許多煤礦使用的安全監(jiān)測系統(tǒng)的信號傳輸主要采用有線方式,使得系統(tǒng)移動性差,在一些復(fù)雜的礦道內(nèi)布線困難,要實現(xiàn)大范圍的實時監(jiān)測比較困難.另外,傳輸線路一旦損壞,將導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域失去監(jiān)測能力[1,2].

煤礦災(zāi)難的發(fā)生以及搶險救災(zāi)的難度暴露出我國目前礦井監(jiān)控管理系統(tǒng)的弊端:地面管理人員與井下工作人員的信息溝通不及時,難以實時掌握井下人員的動態(tài)分布以及作業(yè)情況,更難以對井下人員進(jìn)行精確定位.若能及時、準(zhǔn)確地掌握井下人員的具體分布位置,以及井下的環(huán)境參數(shù)值,一旦井下發(fā)生事故或險情,可根據(jù)當(dāng)時情況采取及時的救援工作,可以節(jié)省大量的時間,極大地減少井下人員傷亡[3,4].基于此,本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng),避免了采用有線通信方式時系統(tǒng)難以到達(dá)的區(qū)域而不能實時監(jiān)控,實現(xiàn)了對井下環(huán)境全方位的實時監(jiān)測,可預(yù)測可能發(fā)生的事故和險情,并能及時地報警和提示井下人員進(jìn)行撤離和排險工作.

1 ZigBee簡介

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù),它以 IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ),使用免費的頻段進(jìn)行通信. ZigBee協(xié)議由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層再加上網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層組成.與其他的無線通信技術(shù)[5](如UWB、BlueT ooth、Wi-Fi等)相比,ZigBee技術(shù)的特點是成本低、功耗小、協(xié)議簡單、網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)容易等.這些特點使ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)測和人員定位系統(tǒng)中.

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

我們提出的基于ZigBee技術(shù)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計主要由井下數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和井上監(jiān)控子系統(tǒng)兩部分組成,井上子系統(tǒng)與井下子系統(tǒng)通過CAN總線通信[6],系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

井下數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心,子系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),其主要由井下人員攜帶的終端移動節(jié)點、ZigBee路由器以及ZigBee協(xié)調(diào)器等組成.ZigBee協(xié)調(diào)器固定安裝在井下巷道的出入口并與CAN總線相連,其功能是配置網(wǎng)絡(luò)成員地址并管理網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點以及收集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息,并通過CAN總線將收集到的數(shù)據(jù)包傳送到地面監(jiān)控中心.ZigBee路由器固定安裝在巷道中以及巷道的分岔口、危險場合(如盲巷)等關(guān)鍵部位,其功能是接收終端移動節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù),包括ID號、RSSI值等信息,并通過最優(yōu)路徑傳遞到協(xié)調(diào)器.井下人員攜帶的終端移動節(jié)點主要采集周圍環(huán)境參數(shù)信息并周期性地向外發(fā)送數(shù)據(jù).

井上監(jiān)控子系統(tǒng)對井下各個監(jiān)測點的工作狀態(tài)以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、檢測、存儲,記錄井下人員經(jīng)過的地點、時間等實時信息,并將其做進(jìn)一步處理后形成各種文件和圖表.一旦出現(xiàn)緊急或異常情況,井上監(jiān)控子系統(tǒng)可以通過CAN總線把報警信號發(fā)送到某一個或者幾個路由檢測節(jié)點,路由檢測節(jié)點再通過無線傳輸方式把信號發(fā)送給終端移動節(jié)點,從而實現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)、人員的科學(xué)管理.

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的終端移動節(jié)點和路由器節(jié)點主要由傳感器模塊、ZigBee模塊、電源模塊和電源管理模塊4部分組成[7].傳感器模塊負(fù)責(zé)采集井下的相關(guān)信息; ZigBee模塊將接收到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,數(shù)字信號經(jīng)處理器計算處理后得到各個傳感器測到的實際值,再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去;電源模塊主要用于給傳感器模塊、ZigBee模塊和電源管理模塊供電;電源管理模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)的硬件提供各種不同的電壓,使電路正常工作.

系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由ZigBee模塊和CAN總線通信轉(zhuǎn)換器組成,它是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制中心.協(xié)調(diào)器通過選擇網(wǎng)絡(luò)的個域網(wǎng)識別標(biāo)志(PANID)和工作信道來啟動一個ZigBee網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)啟動后,路由器和終端節(jié)點就能加入網(wǎng)絡(luò).

2.1.1 電源模塊.

電源模塊是終端節(jié)點的能源供給部分,它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命,由于井下特殊的環(huán)境,故對井下人員攜帶的電池要求比較高,既要體積小、重量輕,又要安全無毒.本系統(tǒng)對可用于礦井下的電池進(jìn)行了分析、篩選,最后選擇可以充電的鋰離子電池作為終端移動節(jié)點的供電電源.經(jīng)實際測試,該電池完全能夠滿足終端移動節(jié)點的需要.

2.1.2 電源管理模塊.

單節(jié)鋰電池的正常工作電壓為3.7 V,充電達(dá)到飽和時為4.2 V,放完電時電壓為2.3 V,電池電壓變化范圍很大,而ZigBee模塊的典型工作電壓為3.3 V,最大輸入電壓為3.9 V,若直接與鋰電池連接會燒毀芯片.因此,本系統(tǒng)采用低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator,LDO)把鋰電池輸出電壓降至穩(wěn)定的3.3 V.同時,為了能更好地利用鋰電池的電量,提高電池的使用效率,本模塊采用TI公司生產(chǎn)的一款超低靜態(tài)電流的LDO線性穩(wěn)壓器TPS76633D,其輸出輸入電壓差典型值為230 mV,能提供3.3 V的輸出電壓和250 mA的輸出電流,且誤差在3%以內(nèi),此外,該電源穩(wěn)壓器還可以設(shè)置睡眠模式.

2.1.3 傳感器模塊.

(1)瓦斯傳感器.瓦斯傳感器采用北京東方吉華科技有限公司生產(chǎn)的KGS-20低功耗瓦斯傳感器,該傳感器以二氧化錫為基本敏感材料,是一款專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器,具有極高的靈敏度、極快的響應(yīng)速度及較低的功耗. KGS-20型傳感器可用于對瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測[8].傳感器耗電量少,體積小,應(yīng)用電路簡單,報警濃度為甲烷≥1%,工作溫度范圍-15℃～+50℃,響應(yīng)時間≤20 s,濕度≤97%RH.傳感器工作時,一旦瓦斯的濃度發(fā)生變化,傳感器內(nèi)部的電阻值將發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)載電阻RL上的電壓變化.該電壓與瓦斯?jié)舛瘸烧?通過測量此電壓可以達(dá)到測量瓦斯氣體濃度的目的.瓦斯傳感器檢測電路如圖2所示.

圖2 瓦斯傳感器檢測電路

(2)溫濕度傳感器.溫濕度傳感器采用盛世瑞恩傳感器公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11,該芯片廣泛應(yīng)用于汽車、空調(diào)、消費電子、自動控制等領(lǐng)域[9].芯片的主要特點是集成度高,其將濕度感測、溫度感測、A/D轉(zhuǎn)換、信號變換和加熱器等功能集成到一個芯片上,并提供二線數(shù)字串行接口,DATA和SCK,應(yīng)用接口簡單.同時,支持CRC傳輸校驗,傳輸可靠性高,測量精確度高,測量和通信結(jié)束后,可自動轉(zhuǎn)入低功耗模式.溫濕度傳感器檢測電路如圖3所示.

圖3 溫濕度傳感器檢測電路

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括ZigBee節(jié)點的軟件設(shè)計和上位機監(jiān)控中心的軟件設(shè)計.

2.2.1 ZigBee節(jié)點軟件設(shè)計.

在ZigBee節(jié)點的軟件設(shè)計上,我們移植了美國密西西比州立大學(xué)Reese教授開發(fā)的ZigBee精簡版協(xié)議?！狹SSTATE LRWPAN[10],所采用的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for 8051 7.60,在編譯器IAR中進(jìn)行編譯、在線調(diào)試和程序下載等.

系統(tǒng)的終端移動節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點都需要加載精簡版協(xié)議棧,并在應(yīng)用層編寫所要實現(xiàn)的功能.它們的軟件架構(gòu)是一樣的,主要涉及應(yīng)用程序及ZigBee協(xié)議棧的交互,不同的是一些配置信息和子程序.

2.2.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計.

在井下現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控裝置實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送功能后,還需要井上監(jiān)控中心接收、顯示并存儲才能實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能[11,12].系統(tǒng)上位機監(jiān)控中心的軟件設(shè)計采用VC+ +6.0編寫,主要實現(xiàn)以下功能:顯示監(jiān)測的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)超標(biāo)時發(fā)出報警提示;實時曲線顯示;歷史數(shù)據(jù)查詢.井上監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.本系統(tǒng)在實現(xiàn)既定功能的基礎(chǔ)上,做到了界面友好、圖形化人機交互和易于操作等技術(shù)要求.

圖4 井上監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點.將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中,可有效解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的技術(shù)缺陷.本系統(tǒng)組網(wǎng)簡單,成本低廉,維護方便,能夠滿足礦井的安全監(jiān)測需求,實現(xiàn)了礦井的智能化生產(chǎn)監(jiān)控,增強了礦井應(yīng)急預(yù)警及救援功能,完善了礦井安全監(jiān)控體系.

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