摘要：為了解決礦井環(huán)境的實時監(jiān)控問題，設(shè)計了以CC24430為控制核心的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)，井下環(huán)境中的溫度、溫度、瓦斯氣體濃度的數(shù)據(jù)和礦工的生命體征數(shù)據(jù)由傳感器負(fù)責(zé)采集，并通過ZigBee協(xié)議構(gòu)建樹簇型無線局域網(wǎng)并實現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。文章主要介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)能浻布脑O(shè)計。該設(shè)計方案解決了礦井安全監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建并能在意外發(fā)生時提供井下人員的位置及生命體征信息為救援工作提供參考。
關(guān)鍵詞：CC2430；ZigBee；礦井安監(jiān)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

    目前，實際應(yīng)用中的礦下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在網(wǎng)絡(luò)布線難度大、可監(jiān)控地點固定、事故發(fā)生后面網(wǎng)絡(luò)臨癱瘓危險等問題。近年來，隨著我國能源需求的日益增加，礦難事故的發(fā)生呈現(xiàn)上升趨勢，如何能夠高效低成本的實時監(jiān)控礦下環(huán)境，并在礦難發(fā)生時給救援工作提供指導(dǎo)成為應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π踩O(jiān)控系統(tǒng)提出的新需求。基于802．15．4協(xié)議的ZigBee技術(shù)具有低功耗、高網(wǎng)絡(luò)容量、高可靠性等優(yōu)點，非常適合用于布置在井下作業(yè)環(huán)境中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計的基本思想是在井下復(fù)雜環(huán)境中利用傳感器和ZigBee模塊CC2430構(gòu)成的便攜式或固定的終端，通過自組織方式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將井下環(huán)境的檢測信號發(fā)送到井上安全監(jiān)測中心，實現(xiàn)礦下環(huán)境的實時監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)自動上傳政府監(jiān)管部門，當(dāng)意外發(fā)生時可為救援工作及事故原因調(diào)查提供參考和指導(dǎo)。

1 ZigBee芯片CC2430
    CC2430芯片是挪威chipcon公司提出的首個單芯片ZigBee SoC解決方案。該芯片內(nèi)部具有CC2420RF接收器和增強(qiáng)性能的8051MCU、8KBRAM等部件，其增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核的性能是標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核性能的8倍。CC2430還具有直接存儲器定址(DMA)功能，擁有可編程看門狗定時器、32／64／128KB可編程閃存、AES-128安全協(xié)處理器、多達(dá)8輸入的8-14位ADC、USART、晶振為32 kHz的睡眠模式定時器、上電復(fù)位、掉電檢測電路(Brown Out Detection)、以及21個可編程I／O引腳等?？梢员粦?yīng)用于所有ZigBee TM的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括協(xié)調(diào)器、路由器、設(shè)備終端。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別小于27 mA或25 mA，并具有較短時間內(nèi)從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動模式的能力，其低功耗特性非常適合井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
    CC2430的主要特點如下：
    1)高性能和低功耗的8051微控制器內(nèi)核。
    2)集成符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz的RF無線收發(fā)機(jī)。
    3)優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力。
    4)有工作和休眠雙模式，一般電池工作時間最長可達(dá)兩年。
    5)網(wǎng)絡(luò)容量大，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可擴(kuò)展到支持64 000個ZigBee節(jié)點。
    6)具有較高安全系數(shù)，采用三級安全保護(hù)，可根據(jù)需要靈活選擇安全屬性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計
    該系統(tǒng)采用樹簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包括一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(ZC)、一定數(shù)量的路由節(jié)點(ZR)及終端節(jié)點(ZED)。其中終端節(jié)點由ZigBee模塊、各種傳感器及報警器和電源組成，根據(jù)功能不同分為固定終端和移動終端。固定終端主要作為路由終端，為網(wǎng)絡(luò)提供路由服務(wù)；移動終端主要是由礦工佩戴的帶有環(huán)境安全監(jiān)測傳感器和生命體征傳感器的穿戴式便攜式設(shè)備。

    礦工佩戴的便攜式終端設(shè)備都擁有一個64的IEEE地址，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易的確認(rèn)礦工身份。意外發(fā)生時，通過作為網(wǎng)關(guān)固定終端路由信息的最后記錄，就可以找到礦工具體位置，同時結(jié)合生命體征傳感器采集到的生理信息，便可為營救工作提供大量有用信息。

    網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在井上安全監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并將當(dāng)前井下傳感網(wǎng)絡(luò)收集到的井下安監(jiān)數(shù)據(jù)通過串口與計算機(jī)相連，進(jìn)一步通過網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)秸踩O(jiān)督部門。這種實時同步的井下數(shù)據(jù)上傳模式，可大大減小由私營礦主主觀玩忽職守造成的安全隱患，對提高礦下安全監(jiān)督管理水平有積極意義。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)主要的硬件結(jié)構(gòu)包括信號采集模塊、終端模塊、信號傳輸模塊。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均采用CC2430芯片作為硬件基礎(chǔ)。
3．1 信號采集模塊
    信號的采集模塊的功能是采集井下的各種環(huán)境參數(shù)，通過CC2430的ZigBee射頻模塊發(fā)送給上位機(jī)。根據(jù)需要采集的信息選擇適合的傳感器，并進(jìn)一步確定信號轉(zhuǎn)換及電源電路。礦井安全監(jiān)測需要采集的數(shù)據(jù)包括以下幾種：瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度。井下攜帶人員的生命體征信息如：體溫、脈搏。最后協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)。
    CC2430外部有20個通用I／O口，PO口的8個管腳可以直接連接外部模擬輸入，其內(nèi)部有14位的A／D轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)各類數(shù)字傳感器的直接輸入和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要。
    溫濕度傳感器采用瑞士SHIRION公司的SHT10一體化溫／濕傳感器采集井下環(huán)境中的溫度和濕度。其供電電壓2．4 V～2．5 V，可直接以終端的電源供電，濕度測量精度±4．5％，溫度測量精度為±0．5℃，滿足井下數(shù)據(jù)采集精度需要。瓦斯傳感器采用鄭州煒盛電子所生產(chǎn)的催化燃燒式氣敏元件MJC4／2．8J，它的額定工作電流90 mA，額定工作電壓2．8 V。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由一個不帶催化劑元件的補(bǔ)償元件和一個帶催化劑傳感元件構(gòu)成。其中催化元件可以與環(huán)境中的瓦斯氣體如甲烷、一氧化碳反應(yīng)，引起溫度相對補(bǔ)償元件升高，導(dǎo)致電橋發(fā)生偏移。輸出的電壓模擬信號經(jīng)過運(yùn)算放大器TLC279MJ放大以后進(jìn)入CC2430芯片內(nèi)具有A／D轉(zhuǎn)換功能的P0口。

    體溫傳感器采用Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20，只要一條單線就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)在控制器與其之間的傳輸，因而具有接口簡單的優(yōu)點，檢測到的溫度信息最終以12位二進(jìn)制的數(shù)字化讀數(shù)輸出，在環(huán)境溫度為30～40℃之間時，DS18B20的分辨率為0．1℃，平均誤差低于0．2℃，可以滿足設(shè)計需求。脈搏傳感器采用HKG-07A紅外脈搏傳感器，該傳感器是基于紅外檢測技術(shù)，通過檢測由于心臟收縮引起的體表末梢微血管的容積變化來獲取脈搏信號。比起早期常用的壓電薄膜法測量，該法具有不易受到肢體運(yùn)動干擾的特點，且技術(shù)成熟，信號處理電路相對簡單。信號采集模塊硬件框圖如圖3所示。
3．2 協(xié)調(diào)器模塊
    由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點均采用CC2430芯片作為硬件基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)器節(jié)點及路由節(jié)點和終端節(jié)點設(shè)計差別不大，其功能主要是是連接無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)與上位機(jī)的接口，不同點在于終端節(jié)點需要添加傳感器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，路由節(jié)點只需按圖1所示連接簡單的外圍設(shè)備即可。
3．3 信號傳輸模塊
    這里的信號傳輸模塊主要是指協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的信號傳輸，這主要是由于CC2430芯片的電平與上位機(jī)串口電平不相匹配導(dǎo)致的，這里采用FT232RL芯片實現(xiàn)串口電平轉(zhuǎn)換，并通過USB接口完成于上位機(jī)之間的串口通信。接入的兩個LED燈可通過閃爍來提示當(dāng)前存在信號的輸入輸出，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 軟件設(shè)計流程
    主控軟件需要完成的任務(wù)主要有：實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，對傳感器網(wǎng)絡(luò)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)比對，存儲和上傳。對系統(tǒng)的控制主要包括控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)開啟關(guān)閉設(shè)置參數(shù)及發(fā)送突發(fā)性命令。為方面使用對象操作系統(tǒng)提供兩種操作模式；監(jiān)管模式和救援調(diào)查模式。監(jiān)管模式下提供以下功能：1)數(shù)據(jù)處理功能：通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與內(nèi)置的閾值數(shù)據(jù)的比較決定是否發(fā)出警報；如：對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行比對已決定是否要切斷電源；對一氧化碳濃度進(jìn)行比對以決定是否要撤離人員；對空氣濕度進(jìn)行比較已決定是否又發(fā)生透水事故的可能。2)數(shù)據(jù)存儲及上傳功能：對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動備份，將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳至安全監(jiān)督部門。救援與調(diào)查模式主要是在礦難發(fā)生時，通過查詢記錄終端位置的固定路由信息和當(dāng)前終端監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)如：當(dāng)前井下環(huán)境數(shù)據(jù)和終端佩戴者生命體征數(shù)據(jù)等，為救援工作提供指導(dǎo)。通過把安監(jiān)數(shù)據(jù)的自動上傳到政府監(jiān)督部門，即方便政府監(jiān)管及問責(zé)也能為事故后救援提供指導(dǎo)。軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

5 結(jié)束語
    文中在了解ZigBee技術(shù)相關(guān)特點的基礎(chǔ)上，以ZigBee模塊CC2430為硬件基礎(chǔ)，利用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線組網(wǎng)，設(shè)計了一個基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井安全監(jiān)管系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)用戶可以定量定性的對井下安全狀況作出評估，并且采用帶有報警功能的穿戴式終端節(jié)點，意外發(fā)生時可為救援工作及事故原因調(diào)查提供依據(jù)，可有效提高礦區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理水平。