基于ZigBee技术的矿山压力监测系统

摘要 对于煤矿巷道顶板的压力监测是一项十分必要的工作,如何实时、有效的监测巷道顶板的压力成为煤矿安全监控系统中的研究重点。考虑到煤矿井下的实际环境,本文研制了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络的矿山压力监测系统。

关键词 ZigBee;无线传感器网络;矿山压力监测;智能传感器节点

中图分类号TD2 文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)21-0207-01

0 引言

近些年,我国煤矿安全事故频繁发生,其中主要是顶板和瓦斯事故,从煤矿事故统计来看,顶板事故一直居各类事故之首。因此,对于煤矿巷道顶板的压力监测是一项十分必要的工作,如何实时、有效的监测巷道顶板的压力成为煤矿安全监控系统中的研究重点。若能及时准确地掌握巷道或工作面某一区域的压力变化情况,便可将人员伤亡和经济损失降至最低。另外,实时采集巷道中的顶板压力数据,也可根据其压力变化趋势对该区域可能出现的事故做出预测。

1 系统无线通信模块选择

由于煤矿井下工作环境恶劣,各种干扰因素复杂,另外还需要考虑到各种安全因素,如防爆等,故设计时选用工作电压低、功耗小、发射功率小、抗干扰能力强的Zigbee无线通信模块。本设计中采用的是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统CC2430,它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 协议,芯片具有可编程闪存以及通过认证的ZigBee TM 协议栈。它采用增强型8051 MCU、32/64/128kb闪存、8KB SRAM 等高性能模块,并内置了ZigBee协议栈,加上超低能耗,使得它可以用很低的费用构成ZigBee节点。

2 矿山压力智能传感器节点的设计方案

矿山压力智能传感器节点布置在巷道,由于这些节点内写入的坐标与实际环境的坐标一一对应,因此,这些结点在布置完成后就不轻易更换位置,除了结点出现故障或者网络重新布置。固定在巷道中的传感器采集节点具有主要两个功能:监测整个矿井的环境特征,转发数据。由于这些结点处于矿井巷道,因此,可以考虑采用矿用安全电池进行供电。矿井巷道固定结点作为无线传感器网络的传输转发结点,担负着传输自身采集的压力数据值。这些数据最终传送到汇聚结点,然后再经过有线网络保存在整个系统的数据服务器内。每个工作层面的无线传感器局域网内的通信采用无线方式,而无线网络之间则采用有线局域网的形式进行通信。智能传感器节点固定在巷道顶板上,根据煤矿压力数据采集装置的功能要求,硬件主要由四部分组成:数据采集模块、微处理模块、无线通信模块、电源模块4个部分组成,如图1所示。作为一个完整的嵌入式检测系统,要求设计的组成部分的性能必须是协调和高效的,各个模块实现技术的选择需要根据实际的应用系统要求而进行权衡和舍取。

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据;无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。

3 系统软件设计

本文的工作是设计矿山压力智能传感器节点,主要是对智能传感器节点的应用层程序进行开发。节点无任务时处于休眠状态,只有中断请求时才被激活。传感器节点上电工作以后,主要执行以下步骤:

首先进行硬件初始化(包括MCU的时钟起振、各层的硬件支持的初始化、无线模块的初始化等);其次寻找网络并申请加入,在成功加入传感器网络之后,进行地址绑定,这样可以让传感器节点的地址信息出现在协调器的绑定表中,实现传感器节点与协调器的关联;随后传感器节点进入休眠模式,等待中断的发生,中断包括通信事件和数据采集事件;数据采集部分依次是压力数据采集、数据处理和数据存储,采集程序完成后,节点返回到休眠模式;

通信子程序包括发送数据和接收数据,需要建立通信链路;每次中断完成后传感器节点都返回到休眠模式,等待下次中断事件的发生。

4 结论

对于煤矿巷道顶板的压力监测是一项十分必要的工作。由于低成本、低功耗、高容错、自组织、多功能等不同于其他无线网络的特性,使得无线传感器网络在环境状态监测,突发事件处理和移动目标跟踪三大类应用中,具有传统系统无可比拟的优势。本文针对目前的煤矿监测系统的不足,结合无线传感器网络的特点,将基于ZigBee技术的无线传感器网络技术应用于矿山压力监测系统,设计了一套适合于矿山井下环境的无线压力传感器系统。