摘 要： 針對煤礦井下工作環境復雜、傳統的有線監測系統存在布線復雜及數據傳輸可靠性不高等問題，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的礦井通風機在線監測系統。該系統以CC2430為主控芯片，采用ZigBee技術實現了對礦井通風機的實時監控，功耗低、成本低廉，具有良好的實用價值和發展前景。
關鍵詞： ZigBee；無線傳感器網絡；在線監測
通風機是煤礦生產中的關鍵設備之一，擔負著排出有害氣體、向井下輸送新鮮空氣、保障礦井安全生產的重要任務[1]。然而風機由于功率大、耗電量大，并且長期處于連續運轉的狀態，發生故障的概率是非常大的，一旦風機的運行情況出現問題，就會對井下人員生命和國家財產造成不可估量的損失[2]。目前已經有很多比較成熟的煤礦通風機監測系統，但這些傳統的監測系統大多采用有線的組網方式，而礦井現場雜亂、環境惡劣，而通風機所需監測的節點和參數眾多且分布分散，這在有些礦井現場存在實施困難、信號干擾嚴重等問題，容易導致系統數據傳輸的可靠性和實時性差，難以實現監測數據的有效傳輸和預警。無線傳感器網絡具有功耗低、成本低、放置靈活和自組織的特點[3-4]，為礦井通風機在線監測開辟了新途徑。本文針對傳統監測方式存在的不足，結合監測區域的工作環境，設計了基于ZigBee技術的礦井通風機在線監測系統。
1 系統總體架構
本系統由監測主機、一個協調器節點、多個傳感器節點、風速傳感器、振動傳感器、負壓傳感器和溫度傳感器等組成，總體架構如圖1所示。
監測主機和協調器節點通過串口RS-485相連，協調器節點與各個傳感器節點組成了一個ZigBee無線傳感器網絡。協調器節點負責接收各傳感器節點的數據，并將數據及時通過串口傳送到監測主機進行實時顯示。
2 系統硬件設計
2.1 傳感器節點硬件設計
傳感器節點的硬件系統主要由CC2430主控芯片、數據采集模塊、天線接口模塊、按鍵控制模塊和電源轉換模塊組成，如圖2所示。
主控芯片采用TI公司的CC2430，該芯片延用了以往CC2420的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器；使用1個8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器、幾個定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合要求電池壽命非常長的應用場合[5]。
數據采集模塊主要由各種傳感器組成，由于CC2430 自帶模數轉換功能，無需外部模數轉換設計，可外接多種傳感器作為終端數據采集設備，但傳感器的選擇需要考慮實際的工作條件，如功耗、精度、干擾性等。負壓傳感器選用B0300工業級微壓變送器，一般用于差壓、壓力、負壓的測量，具有使用壽命長、受動壓影響小、可露天安裝等優良特性。振動信號的采集選用工業加速度傳感器HS-421，其輸出正比于速度值和交流加速度，適宜于數據采集。溫度傳感器選用鉑熱電阻PT100，其特點是反應靈敏、測溫準確度高、性能穩定。電源轉換模塊為系統提供電源并最大限度降低系統功耗。傳感器節點采用電池供電，協調器節點采用直流電源供電。按鍵實現與協調器節點的通信控制及復位等功能。
2.2 協調器節點硬件設計
協調器節點連接傳感器網絡與監測主機，實現兩種協議之間的通信轉換，同時發出主機的監測任務，并把收集的數據轉發到監測主機上。與傳感器節點相同，協調器節點采用CC2430作為核心，硬件電路包括CC2430主控芯片、天線接口模塊、電源轉換模塊、按鍵模塊、串口模塊、JTAG調試接口模塊和LED指示模塊，如圖3所示。
3 系統軟件設計
3.1 傳感器的軟件流程
傳感器節點主要負責采集監測區域的被測參數，并將采集到的數據進行處理，經過天線接口模塊將信息轉發給協調器節點。當收到協調器節點的數據請求命令后才會進行相關的數據采集和發送，沒有數據請求時轉入休眠模式以減少能量消耗。傳感器軟件設計流程如圖4所示。
3.2 協調器的軟件流程
協調器是無線傳感器網絡的中心節點，既負責創建網絡、對網絡地址進行分配、讀取傳感器節點發送過來的信息，又將這些信息傳給監測主機并向網絡中各節點下達監測主機的命令。協調器軟件設計流程如圖5所示。
3.3 監測系統軟件設計
在監測主機中，通風機運行狀態監測軟件使用組態王KingView6.53開發，其優點在于可視化、圖形化顯示，人機界面友好，對用戶而言便于進行二次開發。系統主要功能包括：實時顯示當前正處于運行狀態的通風機狀態參數并發出控制指令；對通風機運行過程中出現的超限參數實施報警并記錄，方便以后查詢；實時的報表輸出及打印功能；歷史數據查詢畫面能夠隨時查詢任何時間內的數據；以曲線圖形顯示監測與處理的通風機運行參數。軟件結構如圖6所示。
本文提出的以CC2430為主控芯片，基于ZigBee技術的礦井通風機在線監測系統實現了對通風機狀態監測數據的采集和發送，省去了傳感器與監測主機之間的大量布線，大大減少了工程成本，組網簡單、開銷小、自組織能力強，非常適合于煤礦井下特殊的環境。ZigBee技術的應用使得礦井通風機在線監測系統更加自動化、網絡化和智能化，有力地保證了通風機的安全可靠運行，為設備的管理和維修提供了可靠的科學依據。
參考文獻
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[3] 任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2003，14(7)：1282-1291.
[4] 鄭增威，吳朝暉，金水祥.無線傳感器網絡及其應用[J].計算機科學，2013，30(10)：138-140.
[5] 馬永強，李靜強，馮立營.基于ZigBee技術的射頻芯片CC2430[J].單片機與嵌入式系統應用，2006(3)：45-47.