基于ZigBee的煤矿安全开采信息采集系统设计

引 言

为了实现煤矿安全开采、保护人员和环境的安全，需要对煤矿开采中的煤、瓦斯、水、温度等信息进行监控。因此应当建立煤矿安全开采信息采集系统，随时掌握矿井和地上相关的环境参数和工况参数，实现对矿区的资源环境信息监控、采集和记录，进而构建数字化安全矿区建设。因此煤矿环境参数的采集是实现安全开采的重要环节。随着嵌入式系统和ZigBee 无线通信技术的发展，新型的、实用的基于ZigBee 的无线煤矿信息采集系统成为煤矿安全的重要环节[1，2]。

1 基于ZigBee的无线信息采集系统

传统的煤矿信息采集系统主要采用有线方式，将瓦斯、温湿度传感器和监控分站通过电缆直接相连，监控分站将采集到的信息通过电缆或者光缆传送到地面监控中心。这种有线方式在煤矿井下的安装会受到一定限制，在不便于敷设电缆的地方，这种有线方式就难以实现。同时，采集信息的传感器需要通过电缆提供电源，而线缆的老化或腐蚀也会带来隐患。近年来，随着无线技术的发展，特别是ZigBee 技术的发展为无线传感器网络技术的应用带来了广阔的前景。ZigBee 技术是一种新兴的短距离，具有低复杂度、低成本、低功耗的无线通信技术，组网方便、时延短、功能全，特别适合于矿井、隧道、地铁等恶劣环境条件下的环境监测、人员定位、安全生产等场合[3，4]。为此我们提出了基于 ZigBee 技术的煤矿信息无线采集系统。该系统采集的瓦斯、温度、湿度信息通过无线方式发送给协调器节点。基于 ZigBee 的信息采集系统如图1 所示。

图 1 中路由节点由传感器、报警器以及ZigBee 模块构成， 主要负责井下环境参数的采集和转发功能。路由节点的位置是固定不变的，可以安装在巷道确定的位置。

协调器节点由微处理器、无线收发模块以及CAN 模块等构成。该节点接收来自路由节点的信息并通过CAN 总线发送给上位机监控系统。同时，该节点还负责网络的建立，与加入的路由节点通信等。该模块还设置有报警模块，当环境参数超过报警门限时，报警模块就会立即报警。

上位机由PC 机组成，包括监控软件，以实现对井下传输过来的数据进行处理、分析、存储，并将相关数据以图形的形式实时显示或打印。系统的终端节点将采集的环境信息通过无线方式发送给路由节点，路由节点发送它自身采集的环境信息并转发移动节点的信息给协调器节点，协调器节点将路由节点发来的信息通过 CAN 总线发送给上位机监控系统。该系统终端节点和路由节点之间，路由节点和终端节点之间利用ZigBee 协议以无线方式传输，这种方式使得节点的布置非常灵活，同时也避免了采用线缆方式带来的老化或者破损、腐蚀等危险。因此该系统非常适合于复杂的井下环境监测。

2 协调器节点设计

协调器节点是系统中的关键节点，该节点负责网络建立， 其构成框图如图 2所示。协调器节点主要包括 STM32微处理器、功能按钮、液晶显示、声光报警电路、ZigBee无线收发模块、SWD调试模块和CAN接口模块等。

主控芯片是ST公司生产的STM32F103RBT6 微型处理器。该处理器具有丰富的片上资源，具有51个通用的I/O口， 两个12位模数转换器，20 KB的RAM，64 KB的Flash存储器，最高时钟频率可以达到72MHz。该处理器支持JTAG和单线串行（Serial Wire Debug，SWD）调试模式。该处理器体积小、功耗低、性能高，还集成了CAN控制器，支持CAN协议2.0A 和2.0B［5，6］。由于内部集成了常见的外设，该处理器外围电路较简单。CAN收发器模块采用TJA1041，TJA1041具有高速、低功耗、低电磁辐射等特点，通信速率可达1Mb/s，完全兼容ISO11898标准。该芯片内部集成了CAN隔离和 CAN 收发器，具有性能可靠、接口简单和体积小等优点。由于CAN总线网络采用差分信号传输，因此CAN收发模块的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线差分电平。使用时需要在网络两端加上120的终端电阻，避免因电阻不匹配而引起信号反射。

协调器节点选用CC2420 模块接收路由节点发送来的无线信息。CC2420 将接收到的信息传送给 STM32 微处理器， 单片机对信息进行处理后通过CAN 总线发送到上位机。协调器节点同时设计了功能按键模块、显示模块和声光报警模块。功能按键用来设置上下限报警阈值。

显示屏显示功能菜单和相关参数，当某终端节点脱离网络或采集到的数据超出设定值时就会进行声光报警，显示相应的节点位置信息。协调器上设计的JTAG 用于调试程序功能。

电源部分采用 24 V 外界工业电压或可充电的锂电池。STM32 的供电电压为 3.3 V，TJA1041 所需电压为 5 V。为此电源主要采用TI 公司生产的两个芯片TPS73033 和 BQ24070 组成电源管理部分。TPS73033 实现电平转换，BQ24070 是锂电池充电和管理模块。

3 路由节点设计

路由节点负责环境参数的采集和路由功能，其结构框图如图 3 所示。路由节点由ZigBee 模块 CC2530 芯片作为微处理器，再加上相应的传感器模块以及按键和LED 指示灯构成。CC2530 是TI/Chipcon 公司开发的基于ZigBee 协议的片上系统，它结合了领先的RF 收发器的优良性能，标准的增强型8051CPU 系统内可编程闪存，适合无线产品的开发和应用 [7]。

传感器模块监测井下的瓦斯气体浓度、温度和湿度。瓦斯气体的主要成分是甲烷，因此本设计采用TGS813 可燃气体传感器对甲烷浓度进行检测，该传感器对甲烷气体的灵敏度很高，且寿命长，成本低。该传感器使用在清洁空气中，将电导率低的二氧化锡 (SnO2) 作为敏感材料，当空气中存在甲烷气体时，传感器的电导率随空气中气体的浓度增加而增大。测出电阻的变化情况后可以得到空气中甲烷的含量[8]。

温湿度传感器采用I2C 总线数字式温湿度传感器 SHT11 芯片。该传感器可同时检测温度和湿度两个物理量。温度测量范围为-40+123.8℃，分辨率达 0.4℃。湿度测量范围为 0100%RH，湿度测量精度为 3%RH。使用时只需要一条时钟线和一条数据线就可以将温湿度信息传送给 CC2530 处理器。CC2530 通过天线将温湿度和瓦斯浓度信息发送给协调器节点。当空气中甲烷的含量为 5% 15% 时会有爆炸的危险，因此路由节点设计有报警电路，当甲烷浓度达到 3% 时则报警。

路由节点采用CC2591 射频前端来提高发射功率和接收灵敏度，使传输距离得以增加。所使用的电源模块可以采用TI 公司生产的 TPS73033 电源模块供电，该模块可以将输入电压范围为 3.3 6 V 的电压稳定输出为 3.3 V。

4 终端节点设计

终端节点负责环境参数的采集，其结构框图路由节点类似，由于该节点没有采用CC2591 射频前端，因此发射距离相比路由节点来说要近一些。路由节点和终端节点在功能上的另一个区别是终端节点只负责信息的采集，不负责信息的路由， 而路由节点不仅可以采集信息，还可以接收来自不同终端节点的信息，并进行信息的路由。

5 结 语

针对煤矿安全开采中对信息采集系统的需求，利用低功耗嵌入式芯片STM32 以及ZigBee 技术设计了井下无线温湿度和瓦斯采集系统硬件。该系统可以实现井下环境参数的采集，并将信息传输到井上监控主机，具有实时信息显示和超限报警等功能。该系统具有集成度高、功能强、体积小、功耗低、性能可靠、敷设灵活等特点，在建设煤矿安全开采信息系统中具有实际的应用价值。