基于ZigBee的煤礦井下預(yù)警防爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（6350008）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY20121454）作者簡(jiǎn)介：施賽杰（1991），女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事無(wú)線傳感與智能系統(tǒng)方向的研究。俞阿龍（1964），男，江蘇高郵人，博士，主要從事測(cè)控技術(shù)方向的研究?；赯igBee的煤礦井下預(yù)警防爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施賽杰1，俞阿龍1，2,韓浩1，蔡文科1（1.寧夏大學(xué) 物理與電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川750021；2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223300）摘 要：針對(duì)礦山井下的特殊環(huán)境，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下預(yù)警防爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下環(huán)境信息和人

2、員位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以減少事故發(fā)生率。井下系統(tǒng)采用CC2530+CC2401芯片作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的核心，井下主控制器通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)與井上上位機(jī)的通信。上位機(jī)使用Labview軟件實(shí)現(xiàn)程序編程，實(shí)時(shí)顯示煤礦井下采集到的CH4、CO、O2濃度、溫濕度和人員坐標(biāo)等參數(shù)并進(jìn)行Web發(fā)布。該系統(tǒng)結(jié)合了基于模糊邏輯算法的預(yù)警技術(shù)、基于物理隔離的防爆技術(shù)，同時(shí)提出了一種融合LQI的RSSI加權(quán)質(zhì)心算法。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了人員定位的精度，具有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；CAN；模糊邏輯算法；防爆；LQI中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)A Design of ear

3、ly-warning and explosion-proof monitoring system for coal mine environment based on ZigBeeSHI Sai-jie1,YU A-long1,2，HAN Hao1,CAI Wen-ke1(1.School of Physics and Electrical Information, Ningxia University, Yinchuan 750021,China;2.School of Physics and Electrical Engineering, Huaiyin Normal University

4、, huaian 223300,China )Abstract: An early-warning and explosion-proof monitoring system for coal mine environment is designed based on ZigBee, in view of the underground special environment. The underground system ，with CC2530 + CC2401 chip as the core of ZigBee node, realizes communication with upp

5、er computer through CAN bus by the central controller. Upper computer uses the Labview software to program and realize real-time display of the coal mine parameters including CH4, CO, O2 concentration, temperature and humidity and personnel coordinates. The early warning technology based on fuzzy lo

6、gic algorithm, explosion-proof technology based on physical isolation are adopted to this system. A kind of RSSI weighted centroid algorithm mixed with LQI was put forward. Experiment proved that this system runs stably, improving the personnel positioning accuracy and has a good prospect of applica

7、tion.Key words: ZigBee; CC2530;CAN; fuzzy logic algorithm; explosion-proof; LQI0 引言我國(guó)是一個(gè)煤礦災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，煤礦井下監(jiān)測(cè)技術(shù)的提高刻不容緩1 目前，煤礦井下的監(jiān)測(cè)主要使用有線系統(tǒng)，此類系統(tǒng)存在許多不足如布線復(fù)雜、靈活性和拓展性差、維護(hù)成本高等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)以其成本低、容量大、數(shù)據(jù)傳輸可靠等多方面原因在WSN的多種技術(shù)中脫穎而出，特別適合煤礦井下的監(jiān)測(cè)。目前ZigBee技術(shù)在煤礦監(jiān)測(cè)領(lǐng)域雖已得到初步應(yīng)用，但存在實(shí)時(shí)性差、通信距離有限、通信因節(jié)點(diǎn)密集易起沖突、人員定位精度不高等缺點(diǎn)，這些系統(tǒng)多停留在報(bào)警層面

8、且欠缺防爆措施。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由井下ZigBee網(wǎng)絡(luò)（包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、固定節(jié)點(diǎn)、主控制器）和井上監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（未知節(jié)點(diǎn)）由井下工作人員佩戴在腰間，主要用于人員定位，同時(shí)可以采集人員附近瓦斯?jié)舛群蜕眢w移動(dòng)狀況參數(shù)。固定節(jié)點(diǎn)（錨節(jié)點(diǎn)）主要負(fù)責(zé)收集、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。它的放置需要考慮采煤工作面的通風(fēng)方式和固定節(jié)點(diǎn)間的距離在拐角、岔道和地面傾斜度較高的地方小于一般距離。主控制器（協(xié)調(diào)器）放置于升井處，是井上監(jiān)測(cè)中心和井下ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信媒介。井上監(jiān)測(cè)平臺(tái)用來(lái)分析處理并顯示井下傳來(lái)的數(shù)據(jù)、發(fā)出報(bào)警、執(zhí)行任務(wù)操作等。服務(wù)器用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖1.

9、2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作流程系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，形成3層拓?fù)浜?級(jí)簇首。井下信息逐層傳遞至主控制器，再由CAN總線連接至井上監(jiān)測(cè)中心。一級(jí)簇首為主控制器，二級(jí)簇首為一部分井下預(yù)先設(shè)置好的固定節(jié)點(diǎn)，三級(jí)簇首為一部分移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包含低一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的簇首 2。圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖第一層：二級(jí)簇首與一級(jí)簇首建立通信，較遠(yuǎn)的二級(jí)簇首選擇其它二級(jí)簇首為路由建立連接。第二層：首先二級(jí)簇首向周圍廣播信息，普通固定節(jié)點(diǎn)和三級(jí)簇首根據(jù)相對(duì)二級(jí)簇首的距離選擇是否加入該簇。三級(jí)簇首以同樣的方式選擇以普通固定節(jié)點(diǎn)為簇首的簇。添加采用無(wú)線網(wǎng)卡動(dòng)態(tài)機(jī)制的冗余二級(jí)簇首，可代替出現(xiàn)故障的二級(jí)簇首。第三層：井下作業(yè)人員

10、形成多個(gè)簇。在一個(gè)簇中根據(jù)剩余能量的多少和相對(duì)其他成員的距離選出三級(jí)簇首。三級(jí)簇首為普通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙后接收普通移動(dòng)發(fā)送的信息，以避免移動(dòng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息產(chǎn)生沖突。當(dāng)三級(jí)簇首能量下降到75%以下時(shí)，重新選取一個(gè)普通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)該簇新的三級(jí)簇首。2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)CC2530芯片具有強(qiáng)大的5通道DMA，精確的數(shù)字化RSSI/LQI3，電池監(jiān)視器和溫度傳感功能，支持接收、發(fā)送、休眠等5種工作模式，提供102db的鏈路質(zhì)量，具備良好的接收靈敏度和抗干擾性3。同時(shí)考慮到煤礦井下環(huán)境復(fù)雜通信質(zhì)量差，添加功率放大芯片CC2401提高通信質(zhì)量。2.1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)圖3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由傳感

11、器模塊、處理器模塊，發(fā)射模塊和能量模塊組成。選擇瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱉JC4_3.0L、加速度傳感器MMA7360L、可反復(fù)充電的鋰電池供電。2.1.1 瓦斯傳感器的調(diào)理電路瓦斯傳感器MJC4_3.0L輸出電壓是mv級(jí)的不能直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以選取美國(guó)國(guó)半公司的LM324設(shè)計(jì)圖4所示放大電路。瓦斯傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)起到緩沖隔離作用的電壓跟隨器，再經(jīng)過(guò)負(fù)反饋放大器，得到V級(jí)信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)入主芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊。 圖4 瓦斯傳感器放大電路2.2 固定節(jié)點(diǎn)固定節(jié)點(diǎn)的組成和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)類似，選用瓦斯傳感器MJC4_3.0L、一氧化碳傳感器7EFF、氧氣傳感器KE-25、溫濕度傳感器DHT91，采取雙電

12、源供電方式。2.2.1 電源電路煤礦開(kāi)采中井下存在交流電源，選用輸入范圍為165-265AC，輸出為5V/1000mA開(kāi)關(guān)電源PS7W5D設(shè)計(jì)雙電源供電電路。圖5 雙電源供電電路如圖5所示，先將交流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓，后將直流電壓與鋰電池連接。當(dāng)使用交流電源供電時(shí)，P溝道MOSFET管Q1的柵極電壓高于源極電壓，處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)電池電源的電壓斷開(kāi)，由交流電源向節(jié)點(diǎn)供電同時(shí)給鋰電池充電。當(dāng)交流電源斷開(kāi)時(shí)，Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，由電池為節(jié)點(diǎn)供電。2.3 主控制器主控制器由CC2530+CC2401模塊、CAN控制器、CAN收發(fā)器等組成，CC2530+CC2401模塊完成井下ZigBee網(wǎng)絡(luò)信息的

13、匯聚，通過(guò)CAN總線上傳到井上監(jiān)測(cè)平臺(tái)。圖6 CAN總線連接圖如圖6所示，采用光電耦合器6N137在CAN控制器MCP2515和收發(fā)器PCA62C250之間進(jìn)行電氣隔離，增強(qiáng)CAN總線的抗干擾能力。在收發(fā)器的CANH和CANL與地之間并聯(lián)小電容過(guò)濾總線上的高頻干擾4，并聯(lián)發(fā)光二極管，當(dāng)電壓瞬變時(shí)提供緩沖保護(hù) 4,5。3 軟件設(shè)計(jì)部分3.1 井上監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)圖7監(jiān)測(cè)平臺(tái)模塊化結(jié)構(gòu)井上監(jiān)測(cè)界面如圖7所示，是在LabView環(huán)境中完成的，連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL2000）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和操作記錄的存儲(chǔ)。3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)圖8 普通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR Emb

14、arrassed Workbench(簡(jiǎn)稱EW)中完成的。圖8是普通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)瓦斯?jié)舛刃畔鬟f過(guò)程。3.3 定位算法系統(tǒng)采用融入LQI（鏈路質(zhì)量指示）的RSSI算法得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與多個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的距離，然后通過(guò)加權(quán)質(zhì)心算法得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，具體步驟如下：在巷道處測(cè)得實(shí)際RSSI和LQI隨距離衰落曲線，分別將其分段線性逼近6；選取巷道某些典型位置多次測(cè)得一組RSSI和LQI值，記錄波動(dòng)最大值RSSI和 LQI；根據(jù)接收到的RSSI和LQI值由第一步的RSSI-d和LQI-d對(duì)應(yīng)關(guān)系（d表示距離）分別得到d11和d12及其差值d1。選取閾值u，當(dāng)d1u，d1=d12，并通過(guò) LQI校正。反之，d1=d1

15、1，通過(guò)RSSI校正；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)選取附近最近的三個(gè)固定節(jié)點(diǎn)A（x1,y1），B（x2,y2），C（x3,y3）通過(guò)第三步得到的d1,d2,d3進(jìn)行加權(quán)質(zhì)心運(yùn)算得到自身坐標(biāo)，公式為：4 預(yù)警部分傳感器檢測(cè)到的信號(hào)具有隨機(jī)性，因此無(wú)法提前判斷是否需要發(fā)出警告,為此信號(hào)處理程序中采用了模糊邏輯算法7。使用雙輸入a、b單輸出c的模糊邏輯控制器，其中a表示傳感器采集到的濃度和閾值之間相差程度，b表示相差程度的趨勢(shì)，,其中w1、w2表示閾值和采集值，且。以瓦斯?jié)舛葹槔齽澐帜：?，將a、b分別劃分為3個(gè)集合。A1、A2、A3分別表示幾乎沒(méi)有相差，有較大相差，有很大相差；B1、B2、B3分別表示幾乎沒(méi)有偏離，

16、偏離趨勢(shì)減小，偏離趨勢(shì)增大。對(duì)應(yīng)不同濃度的瓦斯氣體和閾值按照表1選擇是否報(bào)警。表1 報(bào)警模糊規(guī)則表ab是否報(bào)警A1B1YA1B2NA1B3YA2B1NA2B2NA2B3YA3B1NA3B2NA3B3N5 系統(tǒng)的防爆設(shè)計(jì)煤礦井下電氣設(shè)備的防爆必須符合國(guó)際GB3836.2-2000標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)需要設(shè)計(jì)為0區(qū)域的I類電氣設(shè)備，防爆形式為本安型ia等級(jí)。其電源和負(fù)載部分都必須進(jìn)行本安性能評(píng)估。如其本安電源的設(shè)計(jì)，為滿足三分之二原則將可靠限流器與電池形成可整體更換的澆封單元，露出本安輸出端子和充電端子。在物理隔離方面，外殼可以達(dá)到IP54防護(hù)等級(jí)。整體設(shè)備采用防水、防腐、防電輻射的堅(jiān)固的碳酸酯材料8；

17、殼體采用內(nèi)扣式安裝，之間采用橡膠襯墊作為隔離；天線利用橡膠密封圈進(jìn)行防爆隔離；傳感器通過(guò)氣室檢測(cè)樣本氣體濃度變化來(lái)反應(yīng)環(huán)境參數(shù)的變化；在電路板表面噴涂三防漆。6 系統(tǒng)測(cè)試和結(jié)果顯示6.1 固定節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬環(huán)境，通過(guò)人為方式改變節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境參數(shù)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性和預(yù)警功能9。部分環(huán)境參數(shù)和預(yù)警情況如表2所示。表2環(huán)境參數(shù)和預(yù)警情況時(shí)間溫度（）瓦斯?jié)舛龋ǎ㎡2濃度（）報(bào)警06:0014.00.1021.5N06:2023.90.1521.7N06:4024.70.7422.1N07:0025.10.8722.0N07:2024.20.9121.2Y07:4024.91.03

18、21.9Y08:0024.81.2621.4N08:2025.11.4221.5Y08:4023.91.5121.4Y以瓦斯?jié)舛葹槔?，設(shè)置閾值為1%，人為增加瓦斯?jié)舛?，系統(tǒng)在濃度為0.91%時(shí)實(shí)現(xiàn)了提前報(bào)警，解除報(bào)警后再一次設(shè)置閾值為1.5%，系統(tǒng)同樣實(shí)現(xiàn)了預(yù)警。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)能可靠持續(xù)地對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有較好的預(yù)警功能。6.2 人員定位測(cè)試圖9 定位測(cè)試坐標(biāo)圖在Matlab環(huán)境中對(duì)加權(quán)質(zhì)心算法和RSSI-LQI加權(quán)質(zhì)心算法進(jìn)行仿真10。仿真環(huán)境為50m*1000m的區(qū)域，路徑損耗系數(shù)設(shè)為3.6，錨節(jié)點(diǎn)30個(gè)，未知節(jié)點(diǎn)100個(gè)，運(yùn)行10次取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為更加直觀顯示定位誤差

19、，將得到的部分未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)繪制成圖10。如圖9所示，RSSI-LQI加權(quán)質(zhì)心算法得到的人員坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)基本符合，而加權(quán)質(zhì)心算法的偏離整體較大，RSSI-LQI加權(quán)質(zhì)心算法明顯優(yōu)于普通加權(quán)質(zhì)心算法的性能。對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間距離相對(duì)近時(shí)誤差較小。由RSSI-LQI加權(quán)質(zhì)心算法得到的未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)平均誤差在2.1m以內(nèi)。提高了原有算法的精度。7 結(jié)語(yǔ)本系統(tǒng)分層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等方面奠定基礎(chǔ)。系統(tǒng)的預(yù)警功能使礦井工作人員可以及早采取措施，減少傷害。防爆功能也增加了其在煤礦井下運(yùn)用的安全性。總體來(lái)說(shuō)解決了原有系統(tǒng)布線復(fù)雜，靈活性差，預(yù)警能力差等特