基于ZigBee的煤礦安全開采信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

為了實(shí)現(xiàn)煤礦安全開采、保護(hù)人員和環(huán)境的安全，需要對煤礦開采中的煤、瓦斯、水、溫度等信息進(jìn)行監(jiān)控。因此應(yīng)當(dāng)建立煤礦安全開采信息采集系統(tǒng)，隨時掌握礦井和地上相關(guān)的環(huán)境參數(shù)和工況參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)的資源環(huán)境信息監(jiān)控、采集和記錄，進(jìn)而構(gòu)建數(shù)字化安全礦區(qū)建設(shè)。因此煤礦環(huán)境參數(shù)的采集是實(shí)現(xiàn)安全開采的重要環(huán)節(jié)。隨著嵌入式系統(tǒng)和ZigBee 無線通信技術(shù)的發(fā)展，新型的、實(shí)用的基于ZigBee 的無線煤礦信息采集系統(tǒng)成為煤礦安全的重要環(huán)節(jié)[1，2]。

1 基于ZigBee的無線信息采集系統(tǒng)

傳統(tǒng)的煤礦信息采集系統(tǒng)主要采用有線方式，將瓦斯、溫濕度傳感器和監(jiān)控分站通過電纜直接相連，監(jiān)控分站將采集到的信息通過電纜或者光纜傳送到地面監(jiān)控中心。這種有線方式在煤礦井下的安裝會受到一定限制，在不便于敷設(shè)電纜的地方，這種有線方式就難以實(shí)現(xiàn)。同時，采集信息的傳感器需要通過電纜提供電源，而線纜的老化或腐蝕也會帶來隱患。近年來，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，特別是ZigBee 技術(shù)的發(fā)展為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用帶來了廣闊的前景。ZigBee 技術(shù)是一種新興的短距離，具有低復(fù)雜度、低成本、低功耗的無線通信技術(shù)，組網(wǎng)方便、時延短、功能全，特別適合于礦井、隧道、地鐵等惡劣環(huán)境條件下的環(huán)境監(jiān)測、人員定位、安全生產(chǎn)等場合[3，4]。為此我們提出了基于 ZigBee 技術(shù)的煤礦信息無線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集的瓦斯、溫度、濕度信息通過無線方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。基于 ZigBee 的信息采集系統(tǒng)如圖1 所示。

圖 1 中路由節(jié)點(diǎn)由傳感器、報(bào)警器以及ZigBee 模塊構(gòu)成， 主要負(fù)責(zé)井下環(huán)境參數(shù)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)功能。路由節(jié)點(diǎn)的位置是固定不變的，可以安裝在巷道確定的位置。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由微處理器、無線收發(fā)模塊以及CAN 模塊等構(gòu)成。該節(jié)點(diǎn)接收來自路由節(jié)點(diǎn)的信息并通過CAN 總線發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。同時，該節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，與加入的路由節(jié)點(diǎn)通信等。該模塊還設(shè)置有報(bào)警模塊，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過報(bào)警門限時，報(bào)警模塊就會立即報(bào)警。

上位機(jī)由PC 機(jī)組成，包括監(jiān)控軟件，以實(shí)現(xiàn)對井下傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲，并將相關(guān)數(shù)據(jù)以圖形的形式實(shí)時顯示或打印。系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)將采集的環(huán)境信息通過無線方式發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送它自身采集的環(huán)境信息并轉(zhuǎn)發(fā)移動節(jié)點(diǎn)的信息給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將路由節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息通過 CAN 總線發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間利用ZigBee 協(xié)議以無線方式傳輸，這種方式使得節(jié)點(diǎn)的布置非常靈活，同時也避免了采用線纜方式帶來的老化或者破損、腐蝕等危險。因此該系統(tǒng)非常適合于復(fù)雜的井下環(huán)境監(jiān)測。

2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立， 其構(gòu)成框圖如圖 2所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要包括 STM32微處理器、功能按鈕、液晶顯示、聲光報(bào)警電路、ZigBee無線收發(fā)模塊、SWD調(diào)試模塊和CAN接口模塊等。

主控芯片是ST公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6 微型處理器。該處理器具有豐富的片上資源，具有51個通用的I/O口， 兩個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，20 KB的RAM，64 KB的Flash存儲器，最高時鐘頻率可以達(dá)到72MHz。該處理器支持JTAG和單線串行（Serial Wire Debug，SWD）調(diào)試模式。該處理器體積小、功耗低、性能高，還集成了CAN控制器，支持CAN協(xié)議2.0A 和2.0B［5，6］。由于內(nèi)部集成了常見的外設(shè)，該處理器外圍電路較簡單。CAN收發(fā)器模塊采用TJA1041，TJA1041具有高速、低功耗、低電磁輻射等特點(diǎn)，通信速率可達(dá)1Mb/s，完全兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。該芯片內(nèi)部集成了CAN隔離和 CAN 收發(fā)器，具有性能可靠、接口簡單和體積小等優(yōu)點(diǎn)。由于CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用差分信號傳輸，因此CAN收發(fā)模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線差分電平。使用時需要在網(wǎng)絡(luò)兩端加上120的終端電阻，避免因電阻不匹配而引起信號反射。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選用CC2420 模塊接收路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的無線信息。CC2420 將接收到的信息傳送給 STM32 微處理器， 單片機(jī)對信息進(jìn)行處理后通過CAN 總線發(fā)送到上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)同時設(shè)計(jì)了功能按鍵模塊、顯示模塊和聲光報(bào)警模塊。功能按鍵用來設(shè)置上下限報(bào)警閾值。

顯示屏顯示功能菜單和相關(guān)參數(shù)，當(dāng)某終端節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)或采集到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時就會進(jìn)行聲光報(bào)警，顯示相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置信息。協(xié)調(diào)器上設(shè)計(jì)的JTAG 用于調(diào)試程序功能。

電源部分采用 24 V 外界工業(yè)電壓或可充電的鋰電池。STM32 的供電電壓為 3.3 V，TJA1041 所需電壓為 5 V。為此電源主要采用TI 公司生產(chǎn)的兩個芯片TPS73033 和 BQ24070 組成電源管理部分。TPS73033 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，BQ24070 是鋰電池充電和管理模塊。

3 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的采集和路由功能，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示。路由節(jié)點(diǎn)由ZigBee 模塊 CC2530 芯片作為微處理器，再加上相應(yīng)的傳感器模塊以及按鍵和LED 指示燈構(gòu)成。CC2530 是TI/Chipcon 公司開發(fā)的基于ZigBee 協(xié)議的片上系統(tǒng)，它結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU 系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，適合無線產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用 [7]。

傳感器模塊監(jiān)測井下的瓦斯氣體濃度、溫度和濕度。瓦斯氣體的主要成分是甲烷，因此本設(shè)計(jì)采用TGS813 可燃?xì)怏w傳感器對甲烷濃度進(jìn)行檢測，該傳感器對甲烷氣體的靈敏度很高，且壽命長，成本低。該傳感器使用在清潔空氣中，將電導(dǎo)率低的二氧化錫 (SnO2) 作為敏感材料，當(dāng)空氣中存在甲烷氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氣體的濃度增加而增大。測出電阻的變化情況后可以得到空氣中甲烷的含量[8]。

溫濕度傳感器采用I2C 總線數(shù)字式溫濕度傳感器 SHT11 芯片。該傳感器可同時檢測溫度和濕度兩個物理量。溫度測量范圍為-40+123.8℃，分辨率達(dá) 0.4℃。濕度測量范圍為 0100%RH，濕度測量精度為 3%RH。使用時只需要一條時鐘線和一條數(shù)據(jù)線就可以將溫濕度信息傳送給 CC2530 處理器。CC2530 通過天線將溫濕度和瓦斯?jié)舛刃畔l(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)空氣中甲烷的含量為 5% 15% 時會有爆炸的危險，因此路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有報(bào)警電路，當(dāng)甲烷濃度達(dá)到 3% 時則報(bào)警。

路由節(jié)點(diǎn)采用CC2591 射頻前端來提高發(fā)射功率和接收靈敏度，使傳輸距離得以增加。所使用的電源模塊可以采用TI 公司生產(chǎn)的 TPS73033 電源模塊供電，該模塊可以將輸入電壓范圍為 3.3 6 V 的電壓穩(wěn)定輸出為 3.3 V。

4 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的采集，其結(jié)構(gòu)框圖路由節(jié)點(diǎn)類似，由于該節(jié)點(diǎn)沒有采用CC2591 射頻前端，因此發(fā)射距離相比路由節(jié)點(diǎn)來說要近一些。路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)在功能上的另一個區(qū)別是終端節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)信息的采集，不負(fù)責(zé)信息的路由， 而路由節(jié)點(diǎn)不僅可以采集信息，還可以接收來自不同終端節(jié)點(diǎn)的信息，并進(jìn)行信息的路由。

5 結(jié) 語

針對煤礦安全開采中對信息采集系統(tǒng)的需求，利用低功耗嵌入式芯片STM32 以及ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)了井下無線溫濕度和瓦斯采集系統(tǒng)硬件。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)的采集，并將信息傳輸?shù)骄媳O(jiān)控主機(jī)，具有實(shí)時信息顯示和超限報(bào)警等功能。該系統(tǒng)具有集成度高、功能強(qiáng)、體積小、功耗低、性能可靠、敷設(shè)靈活等特點(diǎn)，在建設(shè)煤礦安全開采信息系統(tǒng)中具有實(shí)際的應(yīng)用價值。