基于Zigbee技術的煤礦井下通風機監控系統設計

宗朝陽+王成

【摘 要】針對目前煤礦井下通風機監控系統布線困難、可移植性差等缺點，筆者基于Zigbee 技術，設計了煤礦井下通風機監控系統。該系統無需在井下鋪設網絡線路，通過Zigbee 傳輸協議，在地面上完成對井下帶式傳送機整個運行過程的監測顯示、控制、保護、報警和管理。

【關鍵詞】Zigbee；CC2530；通風機；監控系統

0 引言

通風機作為煤礦生產的輔助設備，在煤炭的生產過程中起著舉足輕重的作用。由于礦業生產屬于高危行業，因此在煤礦的生產過程中，安全是第一位的，煤礦的安全監控便是其中重要的一部分。傳統的有線監控系統布線復雜、線路易老化、設備拆裝繁瑣，不利于監控系統的發展，加之煤礦生產環境惡劣，因此煤礦對監控系統的安全性和可靠性的要求較高。Zigbee技術[1]作為一種新興的無線通信技術，其定義了短距離、低數據傳輸速率的無線通信協議，很好的解決了井下繁雜的布線問題，為煤礦的安全生產提供了保障。

1 系統總體架構

基于Zigbee技術的煤礦井下帶式傳送機監控系統包括地面監控系統和井下無線傳感器網絡兩大部分[2-3]。地面監控系統主要是由監控主機和工業以太網組成，井下無線傳感器網絡主要是由Zigbee協調器節點和多個Zigbee終端節點組成，Zigbee終端節點連接有多種傳感器用于對通風機運行數據的采集與傳輸。系統結構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

2 系統硬件設計及傳感器選型

2.1 終端節點硬件設計

Zigbee 終端節點主要由TI公司的CC2530芯片作為內核，并配備數據采集模塊、高頻天線模塊、電源供電模塊、AD轉換器、串行通信接口、閃存控制器、DMA控制器、4個定時器、AES協議處理器、無線電控制模塊等外設。由于CC2530芯片不僅是一款無線發射芯片，還具有一定的控制功能，可完成本設計所需全部功能，因此無需外加控制芯片便可實現對帶式傳送機運行數據的實時采集和發送。

2.2 協調器節點硬件設計

Zigbee 協調器節點是整個監控系統的樞紐，既要負責向監控主機發送數據，實現與監控主機的通信，又要對終端節點發送過來的信息進行匯總過濾，完成Zigbee網絡的創建。Zigbee 協調器節點選用TI公司的CC2530芯片作為其內核，實現數據的處理和傳輸，它由LCD顯示模塊、按鍵模塊、報警模塊、電源供電模塊、串口模塊、高頻天線模塊及 JTAG 測試接口模塊等7 部分組成。在系統運行過程中，若需要對預先的一些設置進行改變，可通過按鍵模塊實現。報警模塊可實現對故障信息的報警功能，以提醒監控人員。

2.3 傳感器選型

參數采集模塊根據實際測量參數選擇傳感器或相應測量裝置，采集信息包括通風機風量、負壓、風速、軸承溫度、軸承振動，電動機電流、電壓、繞組溫度等參數。其中，通風機軸承振動的采集選用 CZ891一體化振動變送器，將振動傳感器和信號調節電路集成為一體，能將現場采集的振動信號直接變換為標準的電流信號輸出。

通風機風量和通風機負壓的測量均采用 PTG501 負壓傳感器，通過擠壓壓敏原件，改變壓力采集電路中的電阻值，將被測量對象的壓力轉換為 4～20mA 的標準電信號并傳送給終端節點。

通風機風速的測量采用GSC200型速度傳感器。正常時，GSC200型速度傳感器輸出端輸出高電平信號，當風速低于設定值25%時，經過10～15秒延時，速度傳感器輸出端輸出低電平信號并傳送給終端節點。

通風機軸承和電動機繞組溫度的測量采用Mircro Chip公司的數字溫度傳感器 TC77，該溫度傳感器內置12位ADC轉換模塊，溫度分辨率可達0.0625℃，確保了被測對象的精準檢測。

電動機的電壓和電流參數的測量采用 JD1940-BS4I 型電量變送器，輸入信號源可以是電壓，也可以是電流，該電量變送器可以準確檢測這兩種信號，滿足實際測量需求。

3 系統軟件設計

3.1 終端節點軟件設計

為保證終端節點軟件設計部分的可靠性和完備性，終端節點的軟件實現以Z-stack協議棧為基礎，采用電池供電的工作方式，減少數據采集頻率，降低了節點的能耗。節點采用信息采集-休眠-定時喚醒的循環工作模式（每60s喚醒一次）采集帶式傳送機的運行數據，并將采集到的數據實時傳送給協調器節點。在收發模式下工作時，系統的工作電流為15mA～17.5mA。在轉換為休眠模式后，節點處于低功耗的待機狀態，工作電流僅為 1.25uA，大大降低了終端節點的能耗，滿足了終端節點長時間工作的要求，提高了終端節點的穩定性。通過測試可得終端節點在一個數據采集周期內的實驗數據，根據實驗數據計算終端節點的電池壽命長達兩年之久。

系統運行時，首先執行系統初始化，進行I/O端口、AD轉換、定時器等硬件模塊的初始化和網絡地址、網絡號、喚醒時延、協議棧等軟件設置的初始化；其次根據配置文件要求檢測網絡，綁定網絡并接受網絡地址；隨后進入數據采集階段，執行數據采集程序。節點周期性的采集帶式傳送機的運行數據，并將信息發送至協調器節點，然后進入休眠狀態，循環往復，從而實現了對帶式傳送機運行數據的實時采集。

3.2 協調器節點軟件設計

協調器節點是整個監測系統網絡中的主要部分，在監測系統網絡中負責控制和管理帶式傳送機上的各個子節點。

系統運行時，首先執行初始化程序，各協調器節點上電后會自動組建一個網絡，網絡啟動建立成功后，終端節點會將自己綁定到協調器節點上，而此時協調器節點必須處于允許綁定的狀態。成功綁定后，各終端節點會周期性的采集帶式傳送帶的運行數據，并以報告命令的方式發送給協調器節點，整個過程的通信均依靠ZigBee 技術完成。協調器節點在接收到終端節點發送的數據包后會通過串口傳送到監控主機，從而實現對帶式傳送機運行狀況的實時監控。

4 總結

基于Zigbee 技術設計的煤礦井下通風機監控系統，可以將井下通風機的運行數據實時上傳到監控主機中，實現了對通風機運行狀態的實時監控。實驗結果表明，該系統具有無線化、智能化、網絡化和集成化的特點，能夠準確地監測通風機的實時運行狀態參數，大大減少了巡檢人員的勞動強度，降低了由通風機故障帶來的煤礦安全隱患。因此具有一定的參考使用價值，值得在礦產行業推廣和使用。

【參考文獻】

[1]韓濤，黃友銳，曲立國.基于Zigbee的煤礦風機無線監控系統研究[J].煤礦機械，2014，35（1）：218-220.

[2]焦尚彬，宋丹，張青.基于Zigbee無線傳感器網絡的煤礦檢測系統[J].電子測量與儀器學報，2013，27（5）：436-442.

[3]張曉華，張文芳，石如冬.基于Zigbee的油井遠程監控系統設計與實現[J].控制工程，2013，20（S1）：1-4.