基于zigbee无线网络的煤矿监控系统设计.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 -1- 基于基于 Zigbee 无线网络的煤矿监控系统设计无线网络的煤矿监控系统设计 高仕龙 辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105 E-mailgaoshilong1987 摘摘 要要随着无线网络技术的不断发展，近距离无线网络技术在工业生产、环境监控等领域 的应用越来越广泛。 本文分析了采用无线网络技术进行矿井环境监测的必要性， 基于低成本、 低功耗的无线连接技术 zigbee 设计了煤矿远程监控系统的体系结构，给出了煤矿传感器检 测平台、监控分站、地面监控中心的组成及功能。系统融合了传感器技术，信息处理技术和 网络通信技术，由 zigbee 无线节点采集矿井工作面瓦斯、温度、电压、电流值，通过无线 网络将数据传到井上， 嵌入式系统处理数据并将数据传输到监控中心， 对数据进行实时显示， 有效的实现了煤矿智能化远程实时监控，降低煤矿生产隐患，遏制矿井事故，实现了煤矿生 产无人值守的实时监测和智能预警。 关键词关键词 煤矿；ZigBee 无线通信；嵌入式；远程监控 中图分类号中图分类号TP277 1. 引言引言 煤矿环境监测是困扰煤矿安全生产的一大难题， 目前我国各大煤矿的监测系统、 井下与 地面信息中心一般通过电缆或光纤连接， 这些线路需要有专业人员建立和维护， 若线路施工 不及时就会造成瓦斯漏检，系统存在以下缺点①有线通信方式布线复杂，劳动强度高；② 网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求；③监测点相对固定，容易出现 监测盲区；④工作现场的通信线路容易破坏，破坏后的恢复周期一般较长；⑤通信线路维护 成本高，造成部分厂矿出现边维护，边生产的违规现象，所以现有的有线网络较难达到动态 全方位监测，需要采用先进技术进行网络改造。采用 zigbee 无线网络的煤矿环境监控系统 之后， 通过井下的各类传感器， 管理人员可以实时了解各个矿井工作环境的温度、 瓦斯浓度、 电压、电流等数据，从而确保了矿井的安全生产。 2．系统总体设计．系统总体设计 本系统综合运用了 zigbee 无线网络、传感器技术、嵌入式智能算法、通过在 ARM2410 上移植自主开发监控软件， 同时将数据传送到地面监控中心， 实现了煤矿的无线智能监测和 控制。系统包括传感器检测终端，矿井监控分站，地面监控中心三部分组成。其中，传感器 检测终端传感器检测终端包括电力负荷控制和电子监控电路，各模块采集矿井温度、瓦斯、 电压、电流信号，经过单片机存储处理，采用无线定时发送数据。监控分站的核心是嵌入式 系统，嵌入式硬件电路外接 2.4GHz 的传输模块，实现无线信号的搜集与处理[1]。其中当矿 井环境值超限时能过发出报警信号，也可以控制工作面的供电系统，实施断电。遍布整个矿 井的网络监控站的信息可以传到地面中心。 地面中心的主要任务是实现显示各个监控点的信 息，供矿井调度实施生产指挥与调度。系统模块具有独立性强、体积小、功耗低、可靠性高、 低成本和人性化的特点。 3. 系统介绍组成及功能系统介绍组成及功能 3.1 温度传感器、瓦斯传感器、电压、电流传感器终端的建立温度传感器、瓦斯传感器、电压、电流传感器终端的建立 使用温度传感器、 瓦斯传感器、 电压、 电流传感器传感器测定矿井环境温度、 瓦斯浓度， -2- 工作站电压、电流值，通过各个传感器采集模块，采集矿井中相关参数应值，然后将数字量 编码，使用单片机存储处理，通过以 CC2430 芯片为核心的 Zigbee 模块，定时输出、无线 发送。 图 1 传感器监测终端 3.2 无线传输平台的建立无线传输平台的建立 ZigBee 网络节点的设计具有以下特点 （1）网络节点小型化 网络节点在体积上应该足够小， 又要保证对系统本身的特性不会造成影响。 在软件方面， 要求所有模块的程序设计都应该精简， 无冗余代码， 对不同的应用系统需要配套不同的软件 代码。 （2）易于扩展、使用灵活 网络节点定义了统一、 完整的外部接口， 再添加新的硬件时能够在现有的节点上直接添 加，而不需要开发新的节点；能够根据需要开发多种应用，在同样的硬件平台上实现多种应 用，具有较大的扩展性和灵活性。 （3）性能稳定、具有安全性 网络节点的稳定性要求网络的各个节点都能够在规定的外部变化范围内正常工作， 再给 定的温度、湿度、压力等条件下，网络节点的处理器模块、无线通信模块、电源模块都要保 证其正常的功能，传感器模块也要保证在各自的量程范围内。在软件上，一方面要保证逻辑 上的正确性与完整性，另一方面要保证硬件出现个问题时能够及时感知并采取积极的措施。 网络节点的安全性则要网络节点在恶劣的条件下也能正常工作，不易被损坏。 （4）低成本、低功耗 网络节点的基本要求之一就是低成本， 只有低成本才能有大量的网络点， 并构造更为复 杂的网络。低成本要求电源模块简单便宜，所有的期间都是低功耗的[2]。 本系统根据硬件及组网要求搭建星型网络， 设置传输频点， 因此可根据要求以时分方式 对监测点的数据进行采集，并得到相应的矿井环境温度值、瓦斯浓度值、工作站电压、电流 -3- 值，进而确定井下工作的安全性。 图 2 系统网络图 煤矿矿井的长度在 10km 以上，需布设 100 个以上 ZigBee 节点，这些节点是由电池供 电的，执行组网、感知、采样和初步的数据处理任务，要求各节点可以相互通信并具有很强 的协同能力， 通过转发节点间的信息， 节点间构成多跳的通信网络。 保证数据传输的可靠性， 并在一个区域设置一个 ZigBee 基站节点网络终端，通过 ZigBee 基站节点将数据通过网络 上传到监控分站。 3.3 监控分站平台监控分站平台 ARM 监控分站需要首先根据传输频率不同对各个监控点的数据分时接收。在根据都得 到的数据进行相应的判断。 如果发现监测环境值超标， 则可通过触发控制电路切断空气开关， 从而切断工作交流电源，避免引起矿井事故。同时，根据所接收到的数据，实时将数据通过 MCU 打包，以太网络传输值中央监控主机[3]。 3.4 地面监控中心地面监控中心 -4- 图 3 中央监控软件 中央监控主机通过 ARM 监控分站， 将分布与矿井不同工作面的监控分站的数据进行汇 总，同时根据各个监控井下状况值作出相应的处理。实现井下各类数据的实时显示、动态曲 线的绘制、报警参量设定，同时将监控值自动汇总记录在数据库中，便于监测分析。判断异 常监测值发出语音告警提示，从而最大限度地保障矿井工作面的作业安全。 4. 结语结语 利用 ARM 平台与 Zigbee 技术结合， 可进一步开发可移动、 便携式的无线网络监控平 台，可以实时查看无线网络各个节点的现场数据，配合 zigbee 无线网络及地面监控中心监 控软件，实现煤矿监控系统的智能化、信息化、网络化，从而给煤矿生产工作的顺利进行提 供一定的保障，为矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥一定的作用[4]。 5. 致谢致谢 本课题是在汪玉凤老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。从论文的选题、撰写、修改、 定稿，汪老师都倾注了大量的心血，在此谨向我的导师致以深深的敬意和谢意 在论文撰写期间， 我要感谢许多让我分享他们宝贵经验和知识的老师及同学， 他们给了 我莫大的帮助，使我的学习有很大的提高。 本论文在某些方面难免存在不足之处，请各位老师、专家批评指正。 参考文献参考文献 [1] 王秀梅，刘乃安. 2.4 GHz射频芯片CC2430实现ZigBee无线通信设计[J],国外电子元器件，20057 [2] 宋超，兰西柱，贾国光，郭潇.基于zigbee的无线网络数据采集节点的设计[J],第十八届全国煤矿自动 化与信息化学术会议论文集 [3] 乔大雷,夏士雄,杨松.基于 ARM9的嵌入式 Zigbee 网关设计[J] ,微计算机信息 -5- [4] 汪丹丹.矿用无线传感器网络的研究与设计[D],合肥合肥工业大学，2007 Zigbee-based wireless networks Coal Mine Monitoring System Gao shilong Liaoning Engineering Technology University School of Electrical Engineering and Control, Huludao 125105 Abstract With the wireless network technology continues to develop, at close range wireless networking technology in industrial production, environmental monitoring, and so more and more applications. This paper analyzes the use of wireless networking technology for mine the need for environmental monitoring, based on low-cost, low-power wireless connection technology designed zigbee intelligent remote coal mine monitoring and control system architecture, gives the coal mine detection sensor plat for monitoring sub - stations to monitor the center of the composition and function. System integration of the sensor technology, ination technology and network communication technology, zigbee wireless nodes collected from the mine face gas, temperature, voltage, current value, a wireless data network Inoue spread, embedded systems and process data to the data transfer Monitoring Center, real-time data show that the effective realization of a long-range intelligent real-time monitoring of coal and reduce coal production potential, to contain mine accidents, mine production has unmanned real-time intelligent monitoring and early warning. Keywordscoal；zigbee wireless communications；embedded system；remote control