1、引言
煤炭在我国能源结构中占有重要地位，我国在煤矿事故死亡人数上也是世界较多的国家之一。瓦斯爆炸是形成煤矿矿难的主要原因之一，为了保障矿井工作环境安全，需要及时掌握矿井温度、湿度等环境信息以及瓦斯浓度。很多矿井使用有线方式的瓦斯传感器设备监测这些数据，但由于布线繁琐、安装维护成本高且监测的数据质量依赖于线路，使有线监测应用受到限制。Zigbee技术是一种双向无线通讯技术，具有低功耗、近距离、低成本的特点，可以嵌入到不同设备中建立高性价比的实时监测无线网络系统。本文设计的基于Zigbee的矿井检测系统，可以实现对矿井温度、湿度和瓦斯数据的实时采集监测，具有较大的实际研究价值。
2、基于Zigbee技术的矿井监测系统设计
2.1设计目标
基于Zigbee技术的矿井监测系统要实现以下功能目标：
矿井状态监测：对矿井系统的各种参数进行采集和监测，包括风速、瓦斯浓度、煤尘、烟雾、湿度、温度等参数。
监测数据存储：存储数据有两部分，实时数据和设置数据。设置数据包括对各传感器的参数设置、阈值设置；实时数据有各监测对象的值和状态。
环境参数异常报警：当环境参数超过预设阈值时启动报警，通知井下和井上人员采取措施，避免发生隐患。
数据统计及生成曲线：可以对一些部件的工作状态进行数据统计并生成曲线，便于用户实时查看，还可以根据历史数据生成某个时间段的历史曲线。
自检功能：监测系统包括传感器、传输电缆、分站、转接板等设备，当任何部分出现故障时系统可以产生报警并记录故障发生的时间、设备。
除了功能设计目标，Zigbee系统还应可靠、安全、易操作，因此在设备选型时，要选择具有隔爆型、本质安全的无线传感器；系统本身既有抗干扰能力，无线信标和定位传感器均采用嵌入式微处理器，通过嵌入式软件实现唤醒、通信、编解码等功能。
2.2设计方案
基于Zigbee的监测系统采用星型网络拓扑结构，这是由于星型拓扑结构需要较少的协调器数量，可以降低监测网络集群的总体功耗，易于维护和实时管理。网络方案图如下：
图3.1基于Zigbee技术的矿井监测系统网络设计
在井下各监测部位的瓦斯、温湿度、压力、烟雾、风力等传感器，定时将采集和换算的数据发动到井下分机，井下分机负责将传感器数据和开关量信息通过RS485接口传递给井上控制中心服务器，井上服务器传再传输到客户端，显示在客户端屏幕上；操作人员通过Zigbee模块进行井下各项环境和瓦斯浓度参数的设置，当传感器收集的数据超过设定参数值时，就会启动声光报警，提示井下人员采取安全措施。管理人员通过客户端上的监测软件给下层节点发送命令，调节各节点工作状态，如果某个节点出现问题，监测软件讲提醒管理人员下井检查。监测软件保存各传感器上传的环境参数到数据库中，用于后续的环境和事故分析，提高风险或事故的预测能力。
2.3硬件平台设计
监测系统硬件平台包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源模块等部分，硬件结构图如下：
图3.2矿井监测系统硬件结构设计
数据采集模块包含各部件传感器和数据转换器。瓦斯传感器使用了LXK－3型催化燃烧式气敏元件，适用于多种可燃气体的检测和报警，其差分输出电压反映了瓦斯的浓度变化，具有灵敏度高、寿命长、成本低等有点。温湿度传感器选择SHT11智能集成型芯片，采用串行时钟输入线SCK来与单片机保持通讯同步，可以提供温度在－40～120℃范围内、湿度在0～100％RH范围内的数字输出，其内部结构有相对温度传感器、相对湿度传感器、14位A/D转换器、校准存储器、放大器、状态寄存器、串行接口等。粉尘传感器模块选用PPD4NS，可以感知微米以上的粉尘，检测单位体积内粉尘粒子的绝对个数。报警节点的数据显示通过中文液晶显示器模块实现。放大器使用德州仪器公司的TLV系列模块，为单电源运算放大器，具有带宽大、噪声小、满摆幅输入输出能力，可以实现高速高分辨率数据转换。
处理器使用符合IEEE802.15.4标准的射频收发调制解调器，选择飞思卡公司的MC13192射频芯片，由模拟接收发射、数字调制解调、片内频率合成器、电源管理以及与MCU接口部分组成。
无线通信模块采用Chipcon公司的单片无线收发通信芯片CC1000，完成节点数据的发送和接收及转发功能，该芯片具有低电压、低功耗、接收信号强度指示、高灵敏度等特点，FSK数传速度可达72.8kbps，具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议。CC1000与单片机的通信通过三线串行接口（PDATA、PCLK和PALE）进行。
电源模块设计考虑到芯片的电压及功耗要求，选择龙鼎微电子公司生产的稳压芯片PAM2400，可以把低输入电压升压至一般芯片或电子电路所需要的电源电压，例如3.3V，3.8V，5V等，并具有高达85%以上的转换效率；其启动电压低至0.9V，输出电流最高可以达到70mA，工作于同步状态，不再需要外置肖特基二极管，节省了总的系统成本。
2.4软件设计
监测系统软件结构分为驱动层、协议层和应用层。
驱动层主要为硬件提供驱动，为协议层提供相应接口函数，系统对硬件的控制全部通过该层实现。协议层设计主要针对SPI的驱动和对处理器MC13192射频芯片的驱动，通过对其寄存器读写操作实现。MCU对处理器的数据传送通过其4线SPI模块完成，SPI数据交换有头信息和2字节的整数倍的有效数据域，一次SPI数据交换可以有24位数据信息。
协议层包括网络层、数据链路层和物理层几部分。网络层实现网络组建和管理功能；数据链路层实现数据服务和管理服务，数据服务保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者则维护存储MAC只协议状态相关信息的数据库。物理层负责对处理器MC13192的管理，将物理层数据传输和发送到上下层，向数据链路层提供一系列对处理器芯片功能实现的函数，包括数据请求、状态切换、计数器设置、信道选择等。
应用层包括网络协调器和数据采集端应用软件设计。当数据采集时，主控制中心发送数据请求激活无线网络协调器工作，网络协调器通知各个数据采集端，数据采集端解析命令中需要传输的数据，按照命令要求采集并传输数据。数据采集完后系统进入低功耗状态，等待下个命令激活。
3、总结
本文基于Zigbee技术设计了矿井无线监测系统，可以在降低数据采集功耗的情况下实现长时间稳定工作，克服了传统有线监测系统的缺陷，适用于大量监测点的无线组网，有较大开发应用价值。
参考文献
[1]盛超华，陈章龙，无线传感器网络及应用[J]，微型电脑应用，2005,21（6）.
[2]汪华斌，罗中良，基于Zigbee的数据采集监测系统设计[J]，计算机与现代化，2010,8.
作者简介：第一作者：张伟，男，1977年12月，江苏省 邳州市，大学本科学历，仪器仪表及信息安全技术，正高级工程师，江苏安全技术职业学院
