基于ZigBee技术的矿井瓦斯监测系统设计

本文针对矿井布线复杂和维护困难的特点，结合当前的ZigBee无线传感器网络技术，提出一种基于ZigBee技术煤矿瓦斯浓度无线传感器监测网络系统的方案。介绍了监测节点和接收节点的软硬件设计，利用Delphi开发了上位机监测界面，提出一种给出一种低成本、免布线、完整的矿井中瓦斯浓度监测系统的实现方案。

【关键词】ZigBee技术 瓦斯监测 CC2430 驱动程序 上位机软件

目前绝大多数的煤矿监测系统都采用有线方式，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等，存在着很大的不便，本文作者通过目前较流行的无线传感器网络，与煤矿瓦斯监测系统相结合，提出了一种与无线传感网络相结合的新型煤矿瓦斯监测系统设计方案，该系统还具有低功耗，能够提供成本低、见效快、高效率的数据传输平台.该系统采用了无线的方式，既避免了铺设线路的麻烦也降低了成本，而且还具有便捷、易于校正的优点。

1 无线传感器网络概述

无线传感器网络包括传感器节点、监测对象和观测者。传感器节点通常由硬件和软件组成。硬件部分通常由微控制器模块、数据采集模块、射频模块和电源模块组成。软件部分主要是驱动硬件按照预期的任务有条不紊的工作，传感器节点的软件程序通常由ZigBee协议栈和相关驱动程序组成。无线传感网络中的观测者既可以主动的查询或接收该网络采集的信息，也可以被动的接收，是WSN的用户也是感知信息的接收者和应用者。观测者通过对这些信息进行分析、处理，可以知道检测对象所处的状态从而对其采取相应的行动。WSN的感知对象可以是观测者所重视的对象，如军事装备、有污染的气体、动物等。感知对象一般通过数字量来表征，如湿度、温度、气体浓度等。一个对象可以被多个网络感知。一个无线传感器网络也可以感知网络覆盖范围内的多个对象。

无线传感器网络相比传统网络具有的特点：（1）有限的资源。

（2）使用范围广。

（3）多跳通信。

（4）自组织结构。

（5）动态性强。

（6）安全可靠。

2 监测系统设计

2.1 系统总体方案设计

系统整体架构如图1所示。由图可以看出传感器监测节点、数据接收节点和PC上位机监测是无线监测系统的三个主要的部分。其中，传感器监测节点主要用来采集矿井中节点附近的环境参数，并将采集到的数据通过ZigBee网络发送出去；数据接收节点的主要工作是接收由监测节点发送来的数据，对这些数据进行分析处理后送到上位机中查看。数据接收节点一般放置在上位机附近，两者之间通过RS232串口进行通信。

2.2 系统硬件选型

TI公司的CC2430不仅具有体积小，功耗低，集成度高，而且还有标准ZigBee协议栈可方便的进行移植，缩短开发周期。因此本系统就选取TI公司的CC2430作为节点硬件的射频芯片。

瓦斯传感器选用成本低，功耗低MJC4/3.0J热效式瓦斯传感器，主要是根据催化燃烧效应的原理来对瓦斯浓度进行检测的。

3 监测节点程序设计

监测节点主要负责加入ZigBee网络，并读取传感器模块采集到的数据，并将数据通过ZigBee网络发送出去。监测节点的驱动程序主要包括请求加入ZigBee网络驱动程序、数据发送驱动程序、传感器模块采集数据驱动程序、液晶显示驱动程序、电源管理和低功耗处理驱动程序。

3.1 监测节点发送数据驱动程序

发送节点的主要任务是请求加入ZigBee网络、请求绑定、采集环境数据并发送数据。由于Zstack协议栈是半开源的，对于网络层（NWK）是不开源的，用户看不到建立ZigBee网络程序，只需要调用网络层的API函数即可，因此只需要对监测节点的发送数据程序进行设计。

3.2 接收节点接口驱动程序设计

接收节点主要负责建立ZigBee网络，允许监测节点加入网络，接收监测节点发送来的数据，并对其进行相关的处理，再通过串口通信方式送到上位机中将数据显示出来。接收节点驱动程序主要包括建立ZigBee网络驱动程序、允许监测节点加入网络驱动程序、接收数据驱动程序、串口通信驱动程序。

3.3 接收节点接收数据驱动程序

接收节点的主要任务是用于建立ZigBee网络、允许终端节点加入网络、绑定发送节点、接收发送节点传来的传感器采集到的数据，然后通过串口传送给PC机并显示出来。

4 基于Delphi的上位机监测软件的设计

采用普通的计算机作为上位机，利用可视化的集成开发工具设计一款界面友好的监测软件，能够有效的监测数据和分析数据，使用户在大量的数据中很快掌握被监测设备的运行状态，具有实时性强、数据可靠，直观性好等特点。利用delphi设计上位机监测软件，很好的人机交互界面为观测者及时、准确的跟踪井下的环境信息提供了方便，该系统还具有保护和处理监测数据的功能，工作人员还可以随时查询过去某时刻井下的环境状况。由上位监测软件框图可知，能够实现的功能进行了直观的描述。 上位机监测软件系统主要能够实现七大功能：系统用户登录和管理用户的功能、主操作界面显示功能、管理监测对象的功能、实时监测数据的功能、查询和保存数据的功能、数据图形化处理的功能、按某种格式导出数据的功能。

5 小结

矿井下瓦斯监测是对煤矿安全性能重点的监测对象之一，这中间涉及智能传感器数据采集技术、数据分析处理技术、数据融合技术和数据传输技术等众多技术问题。目前我国煤矿安全监测系统大部分采用有线电缆布线的方式来实现的，显然这种方法存在着布线复杂、维护困难、成本高等缺陷。在当前ZigBee无线传感器网络技术正快速向各个领域渗透的条件下，本文提出了将ZigBee无线传感器网络技术应用于煤矿中安全性能监测，重点对矿井下瓦斯浓度和井中温湿度进行监测。

参考文献

[1] 武钰，严军.瓦斯监控系统存在的问题及解决方法[J].工矿自动化，2011（11）：98-100.

作者简介

董春阳（1987-），男，广东省茂名市人。大学本科学历。现为中煤科工集团重庆研究院有限公司助理工程师，主要从事矿用安全仪器仪表、监测监控系统等的检测检验及研发工作。

作者单位

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆市 400039