基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统的设计与实现.pdf

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1、2011年12月矿业安全与环保第38卷第6期基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统的设计与实现．王飞，宋文，戴剑波，徐素珍(1．中煤科工集团重庆研究院，重庆400039；2．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；3．重庆科能高级技工学校，重庆400037)摘要：提出一种基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统的设计方案，其中包括ZigBee传感器、ZigBee路由器和ZigBee网关。ZigBee传感器以MSP430F249单片机为核心，周围连接了ZigBee通信模块、甲烷传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器、温度传感器和声光

2、报警仪等。ZigBee网关也以MSP430F249单片机为核心，连接了ZigBee通信模块和多功能型嵌入式以太网串口数据转换模块，实现了ZigBee协议与以太网协议的转换。该系统提高了现有监控系统的可扩展性、灵活性和稳定性，降低了安装和维护成本，解决了煤矿安全监测盲区的问题。关键词：ZigBee；煤矿安全；无线传感器网络；监测系统中图分类号：TP273；TD76文献标志码：B文章编号：1008—4495(2011)06—0041—03我国煤矿目前使用的安全监控系统在井下部分连接至矿用网络交换机，在其支巷道、掘进区、综采采用的是有线信号传输方

3、式，使系统只能在固定的工作面和采空区安装ZigBee路由器，用于接收和转位置工作，移动性差、设备安装的局限性大，在采掘发ZigBee传感器上传的数据。ZigBee传感器可以安工作面存在监测盲区⋯。为此，提出基于ZigBee技装在煤矿工人的矿灯上，也可以安装在矿车、挖掘机术的煤矿安全监测系统设计方案，不仅可与有线网等机械设备上，还可以随机安装在瓦斯涌出量变化络监测相互补充，实现井下安全监测的无缝覆盖，还较快的关键位置。这样，ZigBee网关、ZigBee路由器可以随采掘而同步延伸，减少布线难度，降低成本，和ZigBee传感器可以自组织成一个大

4、规模的ZigBee提高了数据的安全性和稳定性，在ZigBee无线网络无线传感器网络，ZigBee传感器将环境参数数据传覆盖范围内，可以接人各种不同类型的传感器或监输给ZigBee网关，ZigBee网关再将数据转发给监控测设备，对环境参数及生产参数进行实时监测。主机，从而实现煤矿井下环境参数及生产参数的实时监测。1系统整体方案设计充分利用ZigBee无线传感器网络的实时性好、网络容量大、安全性高、功耗小及成本低等特点J，设计了基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统，其结构如图1所示。监控主机位于地面的监控中心，通过矿用网络交换机连接至井下工业

5、光纤环网，井下工业光纤环网主要由矿用网络交换机组成，安装在主巷道或较大的支巷道。ZigBee网关通过有线方式圆、圆圃收稿日期：2011—02—24作者简介：王飞(1984一)，男，安徽铜陵人，硕士，2009年毕业于重庆邮电大学，主要从事煤矿安全监测系统和无线通信技术等方面的研究工作。E—mail：wangtly19841004@圆gmail．com。图1基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统结构框图·4l·2011年l2月矿业安全与环保第38卷第6期为ZigBee路由设备进行工作的，接收和转发ZigBee2系统硬件设计传感器发送的环境参数数

6、据，主要由ZigBee通信模2．1ZigBee传感器硬件设计块和电源转换电路组成，采用2种供电方式，即电池在ZigBee无线传感器网络中，ZigBee传感器作供电和有源供电。为终端设备，采集周围环境参数传输至ZigBee网2．3ZigBee网关硬件设计关，其结构如图2所示。一ZigBee网关在ZigBee无线传感器网络中是作为ZigBee协调器进行工作的，实现ZigBee无线传感器甲烷传感器ZigBc~通信模块网络与工业以太网的互联，完成二者之间的协议转换。ZigBee网关结构如图3所示，主要由MSP430F249MSP430F249单片机

7、、ZigBee通信模块和以太网串口单片机数据转换模块组成，都是采用1TrL串口方式进行通信J。以太网串口数据转换模块内部集成了TCP／IP协议栈，集成10／100M自适应以太网接口，串口通信最高波特率高达230．4kbit／s，具有TCPServer、TCPClient、UDP和Realc0Mdriver等多种工作模图2ZigBee传感器的结构框图一式，用户可以轻松完成嵌入式设备的网络功能。ZigBee传感器的处理器采用TI公司的MSP430F249单片机，其是一款16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有丰富的片内外设和方便

8、灵活的开发手段。另外，MSP430F249价格低廉，适应工业级运行环境，运行环境温度为一40～85℃。具有2个通用串行通信接口，可工作于图3ZigBee网关的结构框图UART、S