基于无线传感网的矿井环境监测系统设计

【前言】基于无线传感网的矿井环境监测系统设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2 矿井监测系统总体设计 矿井监测系统的系统结构及在井下布置情况如（图1）所示，它分为井下部分和井上部分。 2.1 井下部分 主巷道采用RS-485总线。因为矿井主巷道服务年限长，环境较好，采用有线方式不易损坏且长期不用移动。 采掘巷道采用zigbee无线通信方式，Zigbe...

摘要：由于ZigBee无线通信技术具有低功耗、低成本、应用简单等特点，提出了基于ZigBee无线通信技术的矿井环境监测系统方案，采用在井下主巷道RS-485有线通信和采掘巷道ZigBee无线通信相结合的网络结构，ZigBee采用网型网络拓扑结构，井上部分上位机和井下监测节点采用标准的Modbus协议进行通信，上位机采用LabView进行数据接收、显示和存储。本文进行了监测节点的硬件设计，编程实现了监测系统ZigBee无线通信和Modbus协议通信过程。测试结果显示，该系统能够准确可靠显示环境监测信息，证实了该方案可行。

关键词：矿井监测 ZigBee Modbus RS-485 单片机

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0049-02

1 引言

随着国家对煤矿安全生产日益重视，研究新型技术保证煤矿安全生产成为关注热点。矿井监测系统在采掘巷道采用有线传输方式存在的局限性一是采掘过程中巷道结构不断变化导致线缆同步延伸麻烦、成本高[1]，二是对移动机械设备和一些特殊角落难以布置监测节点实现矿井全方位监测[2]。由于ZigBee无线通信技术具有低功耗、低成本、应用简单等特点，本文设计了基于ZigBee技术的矿井环境监测系统。

2 矿井监测系统总体设计

矿井监测系统的系统结构及在井下布置情况如（图1）所示，它分为井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485总线。因为矿井主巷道服务年限长，环境较好，采用有线方式不易损坏且长期不用移动。

采掘巷道采用zigbee无线通信方式，Zigbee采用网型组网方式，里面有三种类型节点。

（1）协调节点。协调节点连接到主巷道的RS-485总线接口上，它负责上位机和ZigBee网络中未挂接到RS-485总线上的节点之间的数据转发。

（2）路由节点。路由节点必须依次在巷道里面较为固定位置布置从而保证巷道里面任何位置都有路由节点对无线信号进行路由中转。

（3）终端节点。终端节点可布置在移动机械设备上，或布置在一些会随时移动布置位置的特殊位置。

Zigbee节点间传输距离可达10-100m，如果增大发射功率后可达1-3km以上，由于zigbee网络采用网型结构可通过路由节点实现信息的多级跳转，因而能够达到采掘巷道一般网络传输距离不小于10km的要求。

根据现场实际需要，沿坑道每隔一定距离（50-500米）在坑道顶部设置一个ZigBee节点（采用电池或其他电源供电），环境条件比较好的地方可以距离放得远一点环境条件比较恶劣的地方可以距离放得近一点，同时在其他需要定位的地方也设置一个ZigBee节点，比如巷道拐弯处或者危险区域，巷道分支处应设置节点。注意保证每个节点在它前面和后面都至少能与两个以上的节点进行通信，这样当任意1个节点发生故障时，可跳过这个节点与下1个节点直接通信，即避免单线联系从而保证ZigBee网络通信的可靠性。

采掘巷道本身是一个回路，可以将zigbee网络的两端都连接到RS-485总线上形成一个环形结构，这样当采掘巷道内某个地方出现塌方等事故时后面的zigbee节点可从另一端将采集数据传输给RS-485总线。

2.2 井上部分

上位机通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上，采用LabView软件进行数据接收、存储和显示。

3 监测节点硬件设计

挂接在RS-485总线上的监测节点结构框图如（图2）所示，其它监测节点没有RS-485驱动器模块。

4 矿井监测系统软件设计

4.1 ZigBee模块设计

本系统所有节点网络类型都设为网状网，发送模式都设为主从模式，数据源址输出都设为不输出。

4.2 Modbus协议格式

由于矿井环境监测系统数据传输量较大，因而本系统通信协议采用Modbus协议的RTU模式。主机发送的查询指令、从机返回的正常响应数据帧和异常响应数据帧格式分别如（表1、2）和（表3）所示。

查询指令的功能代码为在用户定义区域中自定义的一个，这里设置为0x60，表示查询监测节点各端口的监测数据。数据指的是欲查询监测节点的地址。

正常响应数据帧的数据为5路监测数据。

异常响应数据帧的功能代码为在查询指令里的功能代码基础上，对其最高位置1，即将0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示异常响应，因而不需要带监测数据。

4.3 系统通信实现过程

根据监测系统中各节点的功能实现过程可以把这些节点分为三类：第一类是通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上的上位机，作为主机；第二类是各采掘巷道ZigBee网络里挂接到RS-485总线上的节点，作为从机；第三类是各采掘巷道ZigBee网络里未挂接到RS-485总线上的节点，作为监测节点，监测节点包括路由节点和终端节点，路由节点在进行信息路由时是由ZigBee模块自动完成的，不需要STM32参与数据转发，因而这两种节点的STM32功能实现过程相同。下面是这三类节点的功能实现过程。

（1）主机。主机采用轮询的方式依次发送查询指令给各监测节点并接收、存储、显示监测数据（如图3）。

（2）从机。从机主要起两个功能，一个是转发主机的查询指令给对应地址的监测节点，另一个是转发监测节点的返回数据帧给主机。数据帧的起始和结束为3.5个字符时间，波特率设为9600，计算确定该时间可取5ms。从机设定一个变量值time_5ms为定时时间是否到标志，如果定时5ms到则置1，否则为0。当定时器定时5ms到了表示一个数据帧接收完成然后执行查询指令，基于中断处理要短的原则，在中断处理里将time_5ms置1并停止定时器定时，将接收数据帧数组指针指到最前面，将监测环境信息或转发查询指令标志置1，然后在主程序里循环判断标志位执行相应操作。

（3）监测节点。监测节点与从机通信不需进行Modbus协议CRC校验（ZigBee协议内部已经进行CRC校验了），但仍采用其数据帧格式使得从机转发时不需对数据帧处理（如图4、图5）。

5 实验测试

实验测试时，LabView显示界面如（图6）所示，能准确可靠显示监测节点的五路监测数据和历史变化曲线，证实了该方案可行。

参考文献

[1]张嘉怡，刘建文，伍川辉.ZigBee技术在煤矿安全监测中的应用[J].中国测试技术，2008.

[2]覃磊，张杰.基于ZigBee技术的煤矿瓦斯监测系统[J].计量与测试技术，2007.

[3]赵铁锤.煤矿井下安全避险“六大系统”建设指南[M]北京：煤炭工业出版社，2012.

[4]李树刚.安全监测监控技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[5]杨春.煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计[J].2008.

[6]高宇.基于Zigbee技术的矿井安全及应急响应系统[J].2010.