摘  要： 針對煤礦井下工作環(huán)境復雜、傳統的有線監(jiān)測系統存在布線復雜及數據傳輸可靠性不高等問題，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的礦井通風機在線監(jiān)測系統。該系統以CC2430為主控芯片，采用ZigBee技術實現了對礦井通風機的實時監(jiān)控，功耗低、成本低廉，具有良好的實用價值和發(fā)展前景。

　　關鍵詞： ZigBee；無線傳感器網絡；在線監(jiān)測

　　通風機是煤礦生產中的關鍵設備之一，擔負著排出有害氣體、向井下輸送新鮮空氣、保障礦井安全生產的重要任務[1]。然而風機由于功率大、耗電量大，并且長期處于連續(xù)運轉的狀態(tài)，發(fā)生故障的概率是非常大的，一旦風機的運行情況出現問題，就會對井下人員生命和國家財產造成不可估量的損失[2]。目前已經有很多比較成熟的煤礦通風機監(jiān)測系統，但這些傳統的監(jiān)測系統大多采用有線的組網方式，而礦井現場雜亂、環(huán)境惡劣，而通風機所需監(jiān)測的節(jié)點和參數眾多且分布分散，這在有些礦井現場存在實施困難、信號干擾嚴重等問題，容易導致系統數據傳輸的可靠性和實時性差，難以實現監(jiān)測數據的有效傳輸和預警。無線傳感器網絡具有功耗低、成本低、放置靈活和自組織的特點[3-4]，為礦井通風機在線監(jiān)測開辟了新途徑。本文針對傳統監(jiān)測方式存在的不足，結合監(jiān)測區(qū)域的工作環(huán)境，設計了基于ZigBee技術的礦井通風機在線監(jiān)測系統。

　　1 系統總體架構

　　本系統由監(jiān)測主機、一個協調器節(jié)點、多個傳感器節(jié)點、風速傳感器、振動傳感器、負壓傳感器和溫度傳感器等組成，總體架構如圖1所示。

　　監(jiān)測主機和協調器節(jié)點通過串口RS-485相連，協調器節(jié)點與各個傳感器節(jié)點組成了一個ZigBee無線傳感器網絡。協調器節(jié)點負責接收各傳感器節(jié)點的數據，并將數據及時通過串口傳送到監(jiān)測主機進行實時顯示。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 傳感器節(jié)點硬件設計

　　傳感器節(jié)點的硬件系統主要由CC2430主控芯片、數據采集模塊、天線接口模塊、按鍵控制模塊和電源轉換模塊組成，如圖2所示。

　　主控芯片采用TI公司的CC2430，該芯片延用了以往CC2420的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器；使用1個8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器、幾個定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合要求電池壽命非常長的應用場合[5]。

　　數據采集模塊主要由各種傳感器組成，由于CC2430 自帶模數轉換功能，無需外部模數轉換設計，可外接多種傳感器作為終端數據采集設備，但傳感器的選擇需要考慮實際的工作條件，如功耗、精度、干擾性等。負壓傳感器選用B0300工業(yè)級微壓變送器，一般用于差壓、壓力、負壓的測量，具有使用壽命長、受動壓影響小、可露天安裝等優(yōu)良特性。振動信號的采集選用工業(yè)加速度傳感器HS-421，其輸出正比于速度值和交流加速度，適宜于數據采集。溫度傳感器選用鉑熱電阻PT100，其特點是反應靈敏、測溫準確度高、性能穩(wěn)定。電源轉換模塊為系統提供電源并最大限度降低系統功耗。傳感器節(jié)點采用電池供電，協調器節(jié)點采用直流電源供電。按鍵實現與協調器節(jié)點的通信控制及復位等功能。

　　2.2 協調器節(jié)點硬件設計

　　協調器節(jié)點連接傳感器網絡與監(jiān)測主機，實現兩種協議之間的通信轉換，同時發(fā)出主機的監(jiān)測任務，并把收集的數據轉發(fā)到監(jiān)測主機上。與傳感器節(jié)點相同，協調器節(jié)點采用CC2430作為核心，硬件電路包括CC2430主控芯片、天線接口模塊、電源轉換模塊、按鍵模塊、串口模塊、JTAG調試接口模塊和LED指示模塊，如圖3所示。

　　3 系統軟件設計

　　3.1 傳感器的軟件流程

　　傳感器節(jié)點主要負責采集監(jiān)測區(qū)域的被測參數，并將采集到的數據進行處理，經過天線接口模塊將信息轉發(fā)給協調器節(jié)點。當收到協調器節(jié)點的數據請求命令后才會進行相關的數據采集和發(fā)送，沒有數據請求時轉入休眠模式以減少能量消耗。傳感器軟件設計流程如圖4所示。

　　3.2 協調器的軟件流程

　　協調器是無線傳感器網絡的中心節(jié)點，既負責創(chuàng)建網絡、對網絡地址進行分配、讀取傳感器節(jié)點發(fā)送過來的信息，又將這些信息傳給監(jiān)測主機并向網絡中各節(jié)點下達監(jiān)測主機的命令。協調器軟件設計流程如圖5所示。

　　3.3 監(jiān)測系統軟件設計

　　在監(jiān)測主機中，通風機運行狀態(tài)監(jiān)測軟件使用組態(tài)王KingView6.53開發(fā)，其優(yōu)點在于可視化、圖形化顯示，人機界面友好，對用戶而言便于進行二次開發(fā)。系統主要功能包括：實時顯示當前正處于運行狀態(tài)的通風機狀態(tài)參數并發(fā)出控制指令；對通風機運行過程中出現的超限參數實施報警并記錄，方便以后查詢；實時的報表輸出及打印功能；歷史數據查詢畫面能夠隨時查詢任何時間內的數據；以曲線圖形顯示監(jiān)測與處理的通風機運行參數。軟件結構如圖6所示。

　　本文提出的以CC2430為主控芯片，基于ZigBee技術的礦井通風機在線監(jiān)測系統實現了對通風機狀態(tài)監(jiān)測數據的采集和發(fā)送，省去了傳感器與監(jiān)測主機之間的大量布線，大大減少了工程成本，組網簡單、開銷小、自組織能力強，非常適合于煤礦井下特殊的環(huán)境。ZigBee技術的應用使得礦井通風機在線監(jiān)測系統更加自動化、網絡化和智能化，有力地保證了通風機的安全可靠運行，為設備的管理和維修提供了可靠的科學依據。

　　參考文獻

　　[1] 閆鑫，戴鵬，萬紫嫣.礦井主扇風機監(jiān)控系統的研究應用[J].煤礦機械，2013，34(4)：237-239.

　　[2] 巨廣剛.我國煤礦用主通風機節(jié)能現狀分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010(6)：84-86.

　　[3] 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003，14(7)：1282-1291.

　　[4] 鄭增威，吳朝暉，金水祥.無線傳感器網絡及其應用[J].計算機科學，2013，30(10)：138-140.

　　[5] 馬永強，李靜強，馮立營.基于ZigBee技術的射頻芯片CC2430[J].單片機與嵌入式系統應用，2006(3)：45-47.