基于ZigBee技术的煤矿井下安全监控系统设计

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（淮南矿业集团顾桥矿综采二队，安徽 淮南 232001）

摘 要：提出了一种基于zigbee无线网络应用在煤矿井下安全的系统的设计，与现有的有线设备相结合，实现了井下动态的实时监测。终端节点采集到的有关井下的温度、湿度、气体的浓度等数据信息通过ZigBee无线网络送达到主控芯片，经处理后，数据信息被送达到监控中心，实现安全监控。无线传感系统的使用，使得系统的维护简单化、方便化，同时成本降低。

关键词：煤矿;ZigBee无线技术;井下监控系统;动态监测

0 前言

井下安全监控系统指的是实时监控煤矿井下的环境参数，为地上和地下监控者提供数据参数。及时分析采集到的环境参数，预防灾难的发生;如若灾难已经发生，及时采取相应的措施进行救灾工作，防止灾难继续扩大，同时为井下工作人员提供指示，将损失降到最低。近年来，随着技术的进步，国家对煤矿安全预防工作的要求也越来越高。就目前而言，井下安全系统多采用有线信号传输，使得整个系统较为固定，移动性不好，且存在较大局限性。

煤炭在世界能源中有着举足轻重的地位，矿井环境极其复杂，如若出现事故，将直接对生命造成威胁。因此，煤矿井下安全系统的设计有着重大的意义。实际上，由于井下环境复杂，并且工作量较大，给安全监控带来一定程度上的困难。本文使用ZigBee无线网络，将传感器采集到的数据以无线传输的形式传送到安全监控系统的主控芯片，工作人员及时查看处理过的数据，采取相应的方法最大肯能避免事故的发生，有效的解决了布线困难的问题。

1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种以短距离传输、低传输速率、低功耗等为特点的无线通讯技术，一般被广泛应用在在工业控制中，在许多传感器之间相互协调实现通信。在网络层方面，可以采用星形网络和网状拓扑，根据节点功能的不同，将节点分为中央协调器（Coordinator）、路由节点（Router）和终端节点（FFD）。ZigBee除以上提到的优点外，还具有可靠性高、网络容量大等特点。

2 煤矿安全监控系统的简述

本文所设计的煤矿井下安全监控系统是将一些特定功能传感器采集的参数如瓦斯浓度、温度、湿度等通过Zigbee无线传感网络传送到安全监控基站，经过分析处理，判断数据是否在安全标准之内，若有异常，立即报警，在第一时间让井下工作人员迅速做出相应的对策。同时，数据也会被传输到地上的安全监控中心。基站所采用的系统是S3C2410嵌入式微处理器，另有多种接口。通过CAN总线接口，数据被传送至地上监控中心、工作人员通过显示接口（按键以及LCD）实现对全部安全系统的监控和维护，无线通信模块的主要作用是进行数据的传输。整个系统的大致原理如图1所示。

3 硬件设计

由德州仪器研发的CC2530为ZigBee技术提供有效的解决方法，它能够创建一个强大的网络节点，来满足ZigBee无线技术的需求，且较之于其他方案所花费的成本低了许多。此外，CC2530转换运行模式能够使系统的功耗降低，使之适合在条件等复杂的井下环境工作。

不同功能的传感器分别采集数据后，通过zigbee无线网络不断传送至S3C2410，检测参数是否在安全范围内，如有异常，主控芯片发出报警信息并发送至地上工作人员做进一步的处理。整个网络由总舵zigbee节点组成，各种功能的传感器即终端节点采集数据信息，传送到协调器节点，最后数据交由S3C2410进行分析处理。

4 软件设计

系统的软件设计大致分为两大部分：一部分是无线网络传感的设计，主要包括数据的采集、传输、自动将节点加入网络、定位以及指令的接收等;另一部分是主控芯片的设计，主功能是根据ZigBee无线网络传输过来的数据来监测它们是否在安全指标以内，若有异常，立即报警，并将数据传至地上的安全监控中心。

ZigBee无线传感模块工作的大致流程是首先对程序进行初始化，启动定时器中断;若触发中断，那么分布在井下的各类功能的传感器开始采集数据、转换后经由ZigBee无线网络送达主控芯片，此时查看主控芯片有无指令，如有命令则立即执行，反之则重复查看定时器是否被触发，若被触发，再进行数据采集，以此循环下去，确保井下工作安全。

主控芯片部分的工作流程大致如下所述：程序初始化后，主控芯片接收经无线网络传输的通过传感器采集的数据，并对这些数据进行分析，判断它们是否在安全范围以内，如有数据超出安全范围，立即发出报警信号，并采取相应措施，将井下工作人员转移到安全地带，同时，将数据传送到地上的安全监控中心，地上工作人员可以做进一步参考分析。

5 结语

本文提出了一种将zigbee无线技术与单片机相结合的煤矿井下安全监控系统，利用ARM单片机巨大的运算处理能力和zigbee技术的无线传输的特征，克服了井下布线困难、线路易被腐蚀以及维护困难等难题。另一方面，采集数据的节点数量可以根据不断变换的外界环境自由减少或增加，方便管理。

参考文献：

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[2]舒志国，华玉鹏，姜媛媛，疏中凡.基于Zigbee 煤矿井下安全监控系统研究[J].煤矿机械，2014，35（04）：217-219.

[3]谢静思.基于ZigBee技术的煤矿安全监控系统的设计与实现[J].煤炭技术，2013（02）：118-119.