基于zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、第24卷第3期(總第108期機(jī)械管理開發(fā)Jun .20090引言隨著國(guó)家對(duì)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要。我國(guó)煤礦企業(yè)開始重視基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),加大安全投入。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)得到了普遍應(yīng)用,大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率。然而,目前使用的監(jiān)控系統(tǒng)在井下部分采用的是有線的信號(hào)傳輸方式,使得系統(tǒng)只能在固定的位置工作,移動(dòng)性差,設(shè)備安裝的局限性大,在很多方面都不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。以瓦斯監(jiān)控為例,現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)很難對(duì)采空區(qū)、綜采工作面等瓦斯氣體大量聚集的區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)控。zigBee 技術(shù)是一種用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸速率下的各種電子設(shè)備之間的無(wú)線通信技術(shù)。以zigBee技術(shù)為

2、通信平臺(tái)構(gòu)建的的網(wǎng)絡(luò),布點(diǎn)靈活,可根據(jù)井下實(shí)際情況布置、更換監(jiān)測(cè)點(diǎn),彌補(bǔ)了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)不夠靈活的缺陷;可設(shè)置路由協(xié)議,布點(diǎn)時(shí)不再需要專門的工程技術(shù)人員,只需在一定的距離條件下布點(diǎn),便可進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。據(jù)此,本文利用無(wú)線傳輸zigBee 技術(shù)與基于CAN 總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合。將工作面的瓦斯值傳輸?shù)焦ぷ髅娑祟^的數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)中,并通過CAN 總線傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站,從而實(shí)現(xiàn)瓦斯源頭的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。1基于zigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.1zigbee 協(xié)議概述zigbee 工作于無(wú)需注冊(cè)的2.4GHzISM 頻段,傳輸以選擇使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。使用這種方法,所有特殊ACK 標(biāo)志位置1的幀

3、均會(huì)被它們的接收器應(yīng)答。這就可以確定幀實(shí)際上已經(jīng)被傳遞了1。1.2Zigbee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,路由者采用分級(jí)路由策略傳送數(shù)據(jù)和控制信息;樹狀網(wǎng)絡(luò)通常使用基于信標(biāo)的通信模式。Mesh 網(wǎng)絡(luò)允許完全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在2種不同功能的設(shè)備類型,即全功能設(shè)備(FFD和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD。FFD 指的是具有完整功能的設(shè)備,它可以作為網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)器,也可以作為簇頭或葉設(shè)備使用。1個(gè)FFD 同時(shí)可以和多個(gè)RFD 或多個(gè)其它的FFD 通信。RFD 指的是簡(jiǎn)化功能的設(shè)備,只能作為葉設(shè)備使用,1次只能和1個(gè)FFD 通信。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域,絕大多數(shù)的設(shè)備都是FFD 設(shè)備。系統(tǒng)將一定區(qū)域內(nèi)的節(jié)

4、點(diǎn)分為1簇,簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過分簇算法選舉產(chǎn)生簇首。通信時(shí),簇內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)將數(shù)據(jù)傳遞給簇首,然后由簇首通過路由選擇機(jī)制將數(shù)據(jù)通過相鄰的簇首節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā),最后傳輸給終端接收設(shè)備。【摘要】提出了一種以zigbee 無(wú)線通信技術(shù)與CAN 總線監(jiān)控設(shè)備相結(jié)合組建的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。憑借基于zigBee 技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)、組網(wǎng)快速簡(jiǎn)單、成本低、網(wǎng)絡(luò)易維護(hù)等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)井上監(jiān)控室到井下主巷道和分巷道工作面之間的通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),大大降低煤礦生產(chǎn)安全隱患。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著很大的推廣應(yīng)用價(jià)值?！娟P(guān)鍵詞】煤礦;監(jiān)測(cè)系統(tǒng);無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);zigbee【中圖分類號(hào)】TP393.08【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

5、碼】A 【文章編號(hào)】1003-773X (200903-0194-03基于zigbee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)李曉帆,劉天生(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西太原030051作者簡(jiǎn)介:李曉帆(1982-,男,山西太原人,在讀碩士研究生,主要研究方向:安全管理及評(píng)價(jià)。收稿日期:2008-11-17;修回日期:2009-03-03圖1Zigbee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)194··第24卷第3期(總第108期機(jī)械管理開發(fā)2009年6月李曉帆:基于zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2系統(tǒng)總體方案2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)施、裝

6、置等位置比較固定,因而使得井下信息采集節(jié)點(diǎn)如瓦斯探頭、粉塵監(jiān)測(cè)器等不能隨著采掘的進(jìn)度跟進(jìn)到位,從而使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往形同虛設(shè),再加上礦井下聯(lián)網(wǎng)有一定的難度,使有關(guān)人員無(wú)法進(jìn)行有效的監(jiān)管,以致事故無(wú)法預(yù)警。所以我們的設(shè)計(jì)思想是要讓瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠隨著采掘的進(jìn)度跟進(jìn)到位,能夠把井下信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳送到相關(guān)人員手中。實(shí)施方法如下:即在主巷道中鋪設(shè)CAN總線網(wǎng)絡(luò),并安置基于CAN總線傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn),在不便與鋪設(shè)CAN總線的采空區(qū)、綜采工作面等地采用Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否經(jīng)常移動(dòng)分為固定數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)兩類。相對(duì)固定的節(jié)點(diǎn)主要安排在巷道的拐彎處或交叉口的固定位置,用于巷

7、道內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、轉(zhuǎn)發(fā)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信數(shù)據(jù),保持無(wú)線鏈路的暢通和傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。因此大多固定節(jié)點(diǎn)為全功能器件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。固定節(jié)點(diǎn)用CAN總線連接,一方面解決傳感器節(jié)點(diǎn)電力受限制的問題,并可以減少網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞碾娏ο?另一方面也可以在原有的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí),減少資金投入。移動(dòng)結(jié)點(diǎn)主要用與每個(gè)作業(yè)人員或作業(yè)機(jī)器所處位置的監(jiān)測(cè),可以安裝在煤礦工人的礦燈上,也可以安裝在礦車、挖掘機(jī)等機(jī)械設(shè)備上,還可以隨機(jī)安裝在瓦斯涌出變化較快的關(guān)鍵位置。這樣礦工身上佩帶的節(jié)點(diǎn)和坑道中放置的節(jié)點(diǎn)可以自組織成一個(gè)大規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)傳輸給固定節(jié)點(diǎn),并通過與固定節(jié)點(diǎn)相連接的CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

8、地面監(jiān)控中心2。2.2固定數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由zigbee模塊CC2420E-M、集成CAN通信控制器的C8051F020單片機(jī)、CAN 總線收發(fā)器、瓦斯傳感器、瓦斯報(bào)譬器等組成。固定節(jié)點(diǎn)不但是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的全功能器件也是CAN總線系統(tǒng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn),完成與CAN總線的連接。如圖2所示:德州儀器(TIzigbee模塊CC2420EM,射頻芯片CC2420,支持zigBee協(xié)議棧。該系列zigbee模塊可通過SPI接口方便地與8位或16位MCU相連。模塊特點(diǎn):工作頻率帶寬:2.4002.4835GHz、數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps,碼片速率2Mchips/s、輸出功率可編程控制(-2

9、5.20dbm、低功耗RX:18.8mA,TX:17.4mA3。CYGNAL公司的C8051F020,屬增強(qiáng)性8051單片機(jī)系統(tǒng),自帶AD,捕獲功能,系統(tǒng)主頻22MHz。此芯片在內(nèi)核上與INTEL8051體系兼容,在同一外部晶體振蕩頻率下,性能是標(biāo)準(zhǔn)51系列處理器的12倍。外部存儲(chǔ)器:RAM512K,采用存儲(chǔ)體切換模式工作。通信接口:實(shí)現(xiàn)2路RS232/RS485電氣標(biāo)準(zhǔn)接口,為與其他網(wǎng)絡(luò)的連接提供了便利。I/O功能:模擬與脈沖輸入信號(hào)的調(diào)理功能,保證了信號(hào)的可靠傳遞和抗干擾、電氣安全保護(hù)能力,具有8路420mA電流輸入、2路脈沖信號(hào)輸入、1路比較器輸入、3路開關(guān)量輸入、4路開關(guān)量輸出。供電電

10、壓:DC5.0V/300mA。SN65HVD230是德州儀器公司生產(chǎn)的3.3CAN總線收發(fā)器,主要是與帶有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用,該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力,最高速率可達(dá)1Mb/s。SN65HVD230可用于較高干擾環(huán)境下。該器件在不同的速率下均有良好的收發(fā)能力,其主要特點(diǎn)如下:完全兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn);高輸入阻抗,允許120個(gè)節(jié)點(diǎn);低電流等待模式,典型電流為370A;信號(hào)傳輸速率最高可達(dá)1 Mb/s;具有抗瞬間干擾,保護(hù)總線的功能;斜率控制,降低射頻干擾(RFI;差分接收器,具有抗寬范圍的共模干擾、電磁干擾(EMI能力。2.3移動(dòng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)由

11、MC9S12NE64單片機(jī)、Zigbee模塊、瓦斯傳感器、瓦斯報(bào)警器組成。如圖3所示:MC9S12NE64是一款112/80管腳的高性價(jià)比、低端的連接應(yīng)用MCU系列。MC9S12NE64由標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置外設(shè)構(gòu)成,包括一個(gè)16位的中央處理器單元(HCS12CPU、64K字節(jié)的FLASH EEPROM、8K字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM、一個(gè)串行外設(shè)接口(SPI、一個(gè)圖2固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖圖3移動(dòng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖195··第24卷第3期(總第108期機(jī)械管理開發(fā)2009年6月!(上接第193頁(yè)到通用化的目的,本系統(tǒng)針對(duì)這種問題而提出了解決方案。本系統(tǒng)特別編制了能把系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞到E

12、xcel 中的模塊,并能通過更改系統(tǒng)窗體控件的屬性值來(lái)決定系統(tǒng)數(shù)據(jù)在Excel 中的位置。例如想要“機(jī)床型號(hào)”這一項(xiàng)在Excel 表的E8位置輸出,就可以把在系統(tǒng)窗體中代表“機(jī)床型號(hào)”的lable 控件的Text 屬性值寫成“E8_MachineStyeString ”的形式,系統(tǒng)運(yùn)行后就可以把數(shù)據(jù)“MachineStyeString ”傳遞到Excel 表的E8位置。此模塊可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行定制工藝卡片模板,即用戶可根據(jù)工藝卡3-4。4結(jié)束語(yǔ)針對(duì)工藝信息的獲取、工藝規(guī)劃操作語(yǔ)言的生成、工藝卡片的輸出方式進(jìn)行較為深入的分析并提出了解決方案,實(shí)現(xiàn)了界面的可視化,用戶通過使用本系統(tǒng)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)選

13、即可完成工藝規(guī)劃設(shè)計(jì),降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,提高了工作效率。參考文獻(xiàn)1鄧正宏.面向?qū)ο蠹夹g(shù)M.國(guó)防工業(yè)出版社,2004.2王興波,萬(wàn)斌,二維零件DXF 數(shù)據(jù)的獲取與數(shù)控加工J .制造業(yè)自動(dòng)化,2003(6:34-36.3褚建立,吳玉發(fā),黃永銘.基于特征的CAPP 零件信息描述和輸入方法的探討J.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996(4:61-63.4王波,宋長(zhǎng)新,程敬之.自動(dòng)特征識(shí)別的新方法J.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002(8:806-809.Graphic-Driven Design and Implement of Navigated by Equipment CapacityProce

14、ss Planning SystemYUE Yan-xiang ,LIAO Xiao-ping ,WANG Qing-pu(Mechanical Engineering College of Guangxi University ,Nanning 530004,ChinaAbstract The paper describes a process planning system based on the navigation of equipment capacity,the system is specified,open,universal graphic-driven process p

15、lanning and can be customized by user.The system's user interface is based on object-oriented graphics-driven interactive mode,realizing the visualization;the system actualized the picking up the parts information by using the readout of DXF graphics files and the output of processing card using

16、 .Net and Excel interoperability technology.Key words Graphics driver ;Parts information ;Processing card;Process planningIC 互連總線(IIC 、一個(gè)8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ATD 、多達(dá)21個(gè)管腳可用于鍵盤喚醒輸入(KWU ,還有兩個(gè)額外的外部異步中斷。內(nèi)置的PLL 電路允許對(duì)功耗和性能進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)滿足運(yùn)行要求。此外,內(nèi)置的帶隙基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(VREG_PHY 將3.15V 到3.45V 的外部工作電壓轉(zhuǎn)換成2.5V 的內(nèi)部數(shù)字電源電壓(VDD 。MC9S12NE64完全采用

17、16位的數(shù)據(jù)通路。無(wú)線模塊同固定節(jié)點(diǎn)一樣選用德州儀器zigbee 模塊CC2420EM,只不過只是作為簡(jiǎn)單工作器件(RFD使用4。3結(jié)束語(yǔ)本文介紹了一種采用ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與CAN 總線技術(shù)相結(jié)合的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。憑借基于zigbBee 技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)、組網(wǎng)快速簡(jiǎn)單、成本低、網(wǎng)絡(luò)易維護(hù)等特點(diǎn),對(duì)煤礦井下各類參數(shù)(如瓦斯氣體濃度、粉塵濃度等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制,具有快速的井下處理能力(井下檢測(cè)、井下運(yùn)算、井下報(bào)警,是解決煤礦安全生產(chǎn)問題的重要手段。參考文獻(xiàn)1顧瑞紅,張宏科.基于zigBee 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用J.電子技術(shù)應(yīng)用,2005,31(6:1-3.2王帥,邵明

18、杰,張萬(wàn)澤.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)J.中國(guó)新通信,2007(1:13-15.3楊揚(yáng),朱善安.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)J.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2007,20(9:6-9.4蔣挺,趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用EMI .北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.Mine Monitoring System Based on zigBee Wireless Sensor NetworkLI Xiao-fan ,LIU Tian-sheng(College of Chemical and Environment ,North University of China ,Taiyuan 030051,ChinaAbstract The paper puts forward a scheme of monitoring and control system for coal mine safety Established by com