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基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统

2023-12-06 82 上传者：管理员

摘要：在当前的煤矿井下监控中，随着井下开采环境的愈发复杂，传统的监测节点有线连接方式存在着节点接线困难、成本高及维护复杂的问题，需要借助无线传感器节点的应用，提高矿井监测网络的数据传输效果。结合某煤矿井下瓦斯的监测需要，提出基于ZigBee技术的无线传感器网络监测系统，实现煤矿瓦斯的无线监测。

关键词：
ZigBee无线传感器
传输速率
瓦斯监测
网络
自我修复
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ZigBee技术具有以下特点：低数据传输速率，传输速率峰值为250kbps；低功耗，工作周期较短且接收与发送信息的功耗低；自我修复能力强，在通信网络出现故障时，能在人工干预前进行自我修复；网络自我组织强大，ZigBee网络具有自动化干预的能力，能确保网络节点和其他节点完成相互关联并形成有效的数据传输网络。不过当前基于ZigBee技术的无线传感器网络产品数量较多，但真正能有效应用于井下安全监测的产品却较少。因此，有必要结合井下开采安全性需要，进行基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统应用研究。

1、监测系统概述

1.1 系统组成

监测系统由软件和硬件组成。硬件部分包括巷道中的无线移动节点（终端设备）和固定节点（路由器设备），主要功能是对井下环境数据（顶板来压、瓦斯浓度等）和人员位置信息进行收集、传输；软件部分是指用VC++设计的PC监控软件，完成各节点数据的汇总和显示。具体在数据传输中，应用ZigBee协议进行无线传输，可以提高固定节点的部署便利性，还可以支持矿工随身携带移动节点，因此在矿井中形成基于ZigBee无线传感器网络的拓扑结构（见图1），与传统的监测节点有效连接相比，更具有数据传输效果[1]。

1.2 系统运行

以某煤矿的井下瓦斯浓度监测为例，在井下监测中，一般ZigBee网络中的路由器只负责数据的转发并无监测功能，为了提高基于ZigBee无线传感器网络的监测效果，需要在路由器上增加传感器设备。在实际的系统运行中，移动节点会实时检测该地区的瓦斯浓度数据，会在ZigBee技术的支持下使数据向固定节点的传输，在固定节点接收到数据后会将数据发送至网关，然后网关借助RS232或光纤将数据再传输至地面的监控计算机中。在系统软件功能的支持下，PC监控软件将数据进行归类处理并显示在显示器中进行可视化显示；软件系统还能结合移动节点的信号接收强度(RSSI)，在应用特定的算法后掌握移动节点的实时位置，且具有预警功能。

图1 ZigBee无线传感器网络的拓扑结构

2、基于ZigBee无线传感器网络的监测系统总体方案

2.1 移动节点设备设计

在zigbee网络中，移动节点是终端设备由井下作业人员负责携带。具体在移动节点运行中，有以下特点：①核心处理器选用CC2530，有着低耗能的价值，在休眠状态中仅消耗小于1μA的工作电流，且为了降低显示器的电损，应用100×32像素矩阵的LCD屏幕。②移动节点内有着自带电池（1500mAh），一般可以支持长期的井下作业，且电池充电管理芯片型号为TP4057，最大充电电流为500mA。③移动节点的电路含有气体浓度传感器MJ4.0与温度传感器PT-1000，不过传感器输出的并非数字信号而是模拟信号，需要借助差动放大器和ADC模式将信号进行数字信号转变。④移动节点应用2.4GHz的贴片天线，仅有手机大小，且内部具有印刷电路板、传感器和电池等空间，有着体积小的特点。

2.2 固定节点设备设计

固定节点与移动节点有着位置差异，需要安装在井下巷道的煤壁中，在电路设计方面与移动节点类似，也选用CC2530芯片处理核心。具体在运行中有以下特点：①固定节点可以应用电缆供电的模式。②基于zigbee的无线通信网络设计，可以降低综采面地形对固定节点布设的影响，一方面可以提高信号线的布置灵活性，另一方面能更有效的完成井下环境数据的收集。③固定节点配备LED数字显示屏，可以对井下瓦斯浓度数据进行实时显示，且在实时分析瓦斯浓度后，也能结合瓦斯超限现象进行声光报警（LED灯和蜂鸣器）。④固定节点还配备有锂电池预防断电对数据传输的影响，且设备都进了防爆处理，有着良好的防火、防潮、防爆效果[2]。

2.3 系统功能设计

在煤矿监测系统的设计中，软件部分需要进行以下设计：

第一，需要具有数据接收功能，要求数据接收部分可以从PC通信端口对传感器网络中的数据源代码进行识别感知，然后在对数据进行解码分析后存储于PC存储器中。

第二，需要具有数据显示部分，该部分可以细分为两种数据显示模式。①可以作为命令行界面，能提供日志数据显示；可以结合数据接收时间进行排序，利于帮助工作人员充分了解井下瓦斯浓度的历史数据，且TextBox作为输入控件可实现对整个系统的调试。②图形用户界面能实时显示井下情况。

2.4 定位功能设计

为了发挥移动节点的监测价值，需要发挥CC2530的定位功能，在芯片内缺少硬件定位引擎下，要在RSSI技术和PC机软件的支持下，完成移动节点位置的计算。具体在计算中至少需要三个参考节点，一般将路由器节点看作网络中的参考节点，然后对其他参考节点的x、y坐标进行记录；同时，使移动节点向每个参考节点发送信号，这时每个参考节点可获得一个RSSI值，在三边测量法的应用下，能对移动节点的位置进行计算掌握。为了降低定位误差，需要将三个固定节点的RSSI平均值进行计算和应用。

3、监测系统应用效果讨论

为了验证该监测系统的应用效果，需要在实际的煤矿生产中进行试验分析。具体在长壁巷道中，每隔50m布置一个固定节点，并在工作区每个入口位置布置一个固定节点，同时每个矿工都会携带一个移动节点，且检测的瓦斯浓度会在固定节点的LED显示屏中显示。

经过为期四个月的试验，基于ZigBee无线传感器网络的瓦斯监测系统有着良好的瓦斯检测、数据显示和预警效果，能提高井下监测的效果。此外，结合信号强度对信息质量的影响，选取两组数据进行对比，具体参考表1，发现综采面的数据错误率略大于巷道，不过误差率仍符合煤矿安全章程的规定，可满足采煤作业的安全性需求[3]。

表1 6至9月数据错误率统计

4、结束语

综上所述，结合煤矿井下的瓦斯监测需要，在当前无线通信系统和嵌入式系统的发展背景下，提出了基于ZigBee无线传感器网络的瓦斯监测系统。

具体在设计应用中：对系统构成及运行进行了概述；在硬件方面完成了对应ZigBee节点的设计；在软件方面进行了数据接收及显示等功能设计；最后，在进行实际的系统应用试验后，无线传感器网络的功能节点运行正常，能有效对井下瓦斯的含量进行检测。在基于ZigBee无线传感器网络的瓦斯监测系统具有良好的运行效果下，能满足矿企的发展需要。

参考文献:

[1]张玉凤.基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计[J].办公自动化,2020,25(12):27-29+15.

[2]陈代伟,王雷,孟凡猛,等.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统[J].通信电源技术,2018,35(11):78-79.

[3]黄方方,黄海军.基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统[J].电脑编程技巧与维护,2017(24):82-84.

文章来源:牛进军.基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统[J].矿业装备,2023(12):46-47.