摘 要：为实现矿井环境的远程在线实时监测，设计矿井环境突变预警系统，对其现场监测终端及无线网络进行详细设计。该系统以 CC2530 射频模块组成簇状无线传感器网络，由CC2530的终端节点采集温湿度值、瓦斯浓度、粉尘浓度等环境参数，直接或經路由器传递到协调器，再由协调器经RS 232串口上传至PC 机，上位机采用LabVIEW监控软件实时显示、记录，并对参数进行判断，判断结果利用点播通信方式反馈到采集节点，并实现声光报警或控制其他机械运作以避免人财损失。测试结果表明，该系统具有成本低、组网灵活、测量精度高和实用性强等优点，可以实现矿井环境突变的预警作用。

关键词：传感器；ZigBee；CC2530；无线监测；LabVIEW

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）09-00-05

0 引 言

煤矿瓦斯事故的有效预防和控制是当今世界面临的共同难题。近年来，煤矿的安全形势仍然比较严峻，重大特大瓦斯事故时有发生，矿井作业具有的较高危险性与不确定性使得设计一套矿井环境突变预警系统尤为重要[1]。早期的监控系统需要在井下敷设通信线路传递监测信号，煤层地质构造的不确定性及机械作业的推进使得通信线路的铺设难度增加，维护困难，一旦通信电缆发生故障，将导致整个安全监测系统瘫痪，严重影响系统的可靠性[2-4]。无线通信中，ZigBee技术具有低成本、短时延、低功耗、可靠性高等优点[5]，因此本文系统采用TI公司设计生产的CC2530 射频模块组成簇状无线传感器网络，由CC2530的终端节点采集温湿度值、瓦斯浓度、粉尘浓度等环境参数，直接或经路由器传递到协调器，再由协调器经RS 232串口上传给上位机，由上位机提供预警功能。因此，随着井下采煤作业的推进，只需往巷道上放置一个或多个采集节点，加入无线网络，就能采集井下环境数据，起到实时预警的作用。

1 系统的网络架构

矿井环境突变预警系统按照数据流可以分为三层：

（1）第一层，终端节点（ZigBee协议栈中定义为end_device）采集温湿度数值、瓦斯浓度、粉尘浓度等参数，在设计中定义一个数据包长度为18 bit，因此单个节点就能采集3种以上的传感器数据，为兼顾实时性，目前单个节点采集1种信号；

（2）第二层，终端节点通过ZigBee协议栈将采集到的数据发送给路由器或者直接送至协调器，为避免ZigBee网络中路由过多造成广播通信方式下的网络风暴，协调器与路由器、终端节点间采用多点对一点的点播通信方式，并能适应井下采煤作业的推进形成簇状路由路径，增强了无线信号的范围，新节点也容易加入网络；

（3）第三层，协调器通过读取子节点网络地址，并按此地址将数据汇总、整理，通过RS 232串口发送给上位机，上位机上的LabVIEW将数据进行可视化处理，完成预警系统的分析与显示，分析的结果再由协调器通过点对点的方式进行回馈，实现对终端节点的控制。

无线监测系统网络拓扑框架如图1所示。

2 硬件电路设计

本文系统中的协调器、路由器和传感器节点三种设备都以TI 公司的ZigBee SoC（片上系统）单片机 CC2530F256 芯片为核心进行设计。芯片内部集成了一个高性能2.4 G RF收发器，8051 内核，8 kB RAM 和最多高达256 kB的闪存，CC2530F256 结合德州仪器业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈[6]（Z-StackTM），提供了一个强大、完整的ZigBee 解决方案，数据的采集、发送都在协议栈的基础上进行开发，因此体积小，抗干扰能力强。由于协调器、路由器和传感器节点功能不同，所需硬件电路不同，所以分别进行设计。

2.1 路由器/协调器节点设计

CC2530 采用一体化集成射频前端设计，实现单芯片ZigBee方案。模块采用2.4 GHz ZigBee专用无线频段，因此模块上提供一个BNC天线接口 CN1和一个内置在PCB电路板上的倒F天线，射频电路如图2所示。由于 CC2530天线输出是特征阻抗为（69+j29）Ω的平衡天线信号，而本系统采用的天线为50 Ω，7 dBi 的全向非平衡天线，故图2中 L1，L2，C5，C13 构成巴伦[7]，进行射频信号的平衡到非平衡转换的同时进行阻抗转换。电路中C10，C11用于抵消CC2530输出的感性分量和PCB板寄生电感，C6将巴伦和天线进行耦合。系统采用32 MHz的晶振频率，以提高芯片的响应速度。C12，C14是负载电容，除此之外，电源VCC与地之间增加了去耦电容，以此减少电源波动的干扰。CC2530芯片有1个串口输出即UART0，用于和计算机配合使用传输数据。

路由器用来扩展网络通信范围，协助传感器节点和协调器之间的通信，由于簇状网络拓扑可周期性工作，因此可采用电池供电；而协调器负责启动和配置网络，这些工作完成后就相当于路由器，协助网络内的传感器节点和PC机相互通信，并采用UPS电源供电。

2.2 传感器采集节点设计

传感器采集节点设置在采煤、煤巷掘进工作面上，随着采煤作业的推进，传感器节点也及时布置。

温湿度的采集利用AOSONG的AM2305A第三代数字温湿度传感器[8-9]，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保数据采集的高可靠性和长期稳定性。传感器内部包括1个电容感湿元件和1个高精度测温元件，并与1个高性能8位单片机相连接。金属烧结铝管探头可探测高达125℃的高温，具备防爆功能，采用单总线通信方式，灵敏度高。其主要参数如下：

温度量程： -40～125℃；

湿度量程：0～99.9%RH；

温度精度：±0.3℃；

湿度精度：±2 %RH；

分辨率：0.1℃/0.1 %RH；

衰减值：温度<0.1°，湿度< 1 %RH；

响应时间：1/e（63%）<5 s；

采样周期：2 s，采用5 V电源供电。

由于AM2305A采用单总线结构，所以只需一条SDA线与CC2530单片机的P2_0连接，如图2所示，接上电源VDD和GND，就完成了对应的硬件设计。温湿度偏差特性曲线和温湿度传感器的外形如图3所示。

在煤矿生产过程中，随着煤层采动，煤层中往往会涌出矿井瓦斯，与空气混合，当其体积百分比为5%～16%时，遇明火就会发生爆炸，给矿井的安全生产带来巨大威胁。瓦斯传感器应垂直悬挂在巷道上方风流稳定的位置，距顶板（顶梁）不得大于300 mm，距巷道侧壁不得小于200 mm，并应安装维护方便，不影响行人和行车。为保障测量精度，选择中煤工矿的KGJ16B型瓦斯传感器，其原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，产生热量，使元件电阻因温度升高而发生变化，从而测知瓦斯浓度，用于检测煤矿井下空气中的瓦斯含量。其主要参数如下：

防爆形式：矿用隔爆兼本质安全型；

测量范围：0～4%的CH4；

响应时间：小于20 s；

报警点：0.3%～4.00%的CH4阈值可任意设置；

输出信号：电流为1～5 mA，负载电阻为0～500 Ω，供电电压为9～24 V。

鉴于CC2530自带12位A/D转换器，实现对采样数据的模数转换，用DMA将转换结果写入存储器，并通过电桥补偿方式测定对应的瓦斯浓度。

测量井下粉尘使用PM100空气质量检测仪——SDS198粉尘灰尘传感器，其外观如图3（d）所示。该传感器使用激光散射原理，能够得到空气中1～100 μm悬浮颗粒物浓度，使用激光器和感光部件，数据稳定可靠，并直接以数字化形式输出。主要参数如下：

测量输出：全程PM100，量程为0～20 mg/m3；

工作电压：5 V；

最大工作电流：120 mA；

响应时间：<6 s；

串口数据输出频率：1 Hz；

灵敏度：1 μg/m3；

与CC2530单片机进行串口数据上传，波特率为9 600 b/s，8位数据，1位停止位，无检验位；

串口上报通信周期：1.2 s；

数据帧（10 B）：报文头+指令号+数据（6 B）+校验和+报文尾。

由于采用串口通信，接口中的RXD，TXD与CC2530单片机的17，16脚对应脚相连即可，同时两个模块的GND信号相连。

为了方便查看采集端的运行状态，每个终端均配有OLED显示屏，对采集到的环境信息进行现场实时显示，其与CC2530的接线如图2所示，主要由P1口的相关引脚实现控制。

3 系统的软件设计

ZigBee 无线网络的实现建立在ZigBee协议栈的基础上。协议栈采用分层结构，本文设计主要对硬件抽象层（Hardware Abstract Level，HAL） 和用户应用层（Application，APP） 进行编写修改。首先按照传感器外围的硬件接口在 hal_board_cfg.h 文件中修改相应接口，以对应实际硬件需求；然后通过用户任务处理函数添加以下处理事件：按键触发事件KEY_CHANGE，接收数据事件AF_INCOMING_MSG_CMD，设备状态变化事件ZDO_STATE_CHANGE。系统启动时，终端节点判断网络状态，若未加入当前网络，则申请加入。加入网络成功后给出相应提示：调用 HAL_TOGGLE_LED1（），LED 闪亮。在工作状态，终端节点实时检测状态变化，即触发接收数据事件，进而调用消息发送函数 SampleApp_SendFlashMessage（），在消息发送函数中根据具体的触发类型做出相应判断，从而向协调器发送相应消息，完成终端节点将传感器数据向协调器的发送。协调器部分则通过数据接收事件 AF_INCOMING_MSG_CMD 的触发进入消息处理函数 SampleApp_ MessageMSGCB（），依據接收的数据类型向上位机发送相应数据，完成对应事件的处理。

由于每个节点利用一块单片机实现，因此在代码中采用统一的封装形式。每个节点的数据包可使用一个结构体实

现[10]，其中包含数据包的前导字符、后导字符，此外还包含该节点的设备类型、节点的网络地址、采集日期的时间信息以及所采集到的传感器数据、节点的剩余电量。以采集的温度为例，数据包的格式定义见表1所列。

数据前导字符与后导字符均使用一个字符“*”表示。设备类型一般为路由器ROU或终端END，简写成R/E；子节点网络地址通过函数nwk=NLME_GetShortAddr（）得到，用于区分对应节点是否正常工作。采集日期时间信息占用6位，采用BCD码的压缩格式传输，便于历史信息查阅及绘制动态图。传感器数据按照采样得到的数据进行填充，如温度数据可写为W23°，表示温度为23 ℃，湿度数据可写为H35，表示湿度为35%RH，瓦斯浓度含量用S124表示，粉尘浓度用PM23表示等，节点电量利用CC2530自带的ADCCON3对正电源参考电压进行采样判定，便于掌握节点的工作耗能情况。数据包的联合体C语言表示如下：

温湿度传感器AM2305A采用单总线接口，需要用I/O口模拟SDA信号。瓦斯传感器中瓦斯的无焰燃烧使元件电阻因温度升高而发生变化，导致电阻不同，经过信号调理电路得到对应电压，再通过CC2530的A/D（模数转换）进行转换得到数据。粉尘传感器通过串口将采集到的数据传送给CC2530，这些需要通过编程实现，并将得到的数据填充在数据包的传感器数据部分。上述数据包帧格式中，如果不需要提供历史查询功能，采集日期时间信息的6个字节单元可以用于其他传感器数据的填充，如果不需查验终端节点设备是否正常工作，子节点网络地址的4个字节也可以应用于数据采集。

3.1 协调器软件设计

协调器的主要功能[11-12]为：发送数据采集命令至终端，接收终端节点或者路由器转发过来的传感器数据，将传感器数据上传至上位机PC。在代码实现方面，协调器根据afIncomingMSGPacket_t中的事件判断当前是按键状态改变、无线数据输入还是网络状态发生变化，并做出相应的动作。如果是无线数据输入，调用协议栈存储函数osal_memcpy（），将接收到的数据存储在内存中，并将存储的数据通过串口上传至上位机，具体代码如下所示。协调器节点工作流程如图4所示。

3.2 终端节点的软件设计

终端节点根据系统指令采集温湿度值、瓦斯浓度、粉尘浓度，其具体流程如图5所示。

终端节点上电初始化，搜索无线网络。若搜寻到网络，则请求加入该网络[13-15]。加入无线网络后转入低功耗模式，等待协调器发出指令唤醒。当接收到来自协调器的数据采集命令后，节点被唤醒，接着读取传感器数据，并将数据发送至协调器。若协调器无应答，则需要发送问询信号，与协调器确保通信成功后再次进入低功耗模式，以此减少功耗，使节点维持更长的工作时间。

3.3 上位机LabVIEW的软件设计

上位机软件设计是为了实时查看矿井环境数据，并做出分析处理[16-17]。在VI设计界面，调出三幅实时波形图，用于绘制历史数据，数值显示端口用于显示温湿度数据、瓦斯浓度数据、粉尘浓度数据，上位机通过开关按键给终端节点发送命令，终端状态也通过状态栏进行信息显示。为了实现预警功能，三类数据都设置上下限，如果越限，实时报警。在与协调器进行通信时，串口的波特率为9 600 b/s，8位数据，无检验位，1位停止位。为实现数据存储，数据库管理操作需要对多个子虚拟仪器进行设置，主要包括参数设置、修改设备、修改测量点信息、显示模块的信息和测量点的数据状态参数等。上位机LabVIEW的软件界面如图6所示。

4 结 语

本文以CC2530 射频模块组成簇状无线传感器网络，由CC2530的终端节点采集到矿井的温湿度值、瓦斯浓度、粉尘浓度等环境参数，直接或经路由器传递到协调器，再由协调器经RS 232串口上传至PC 机的上位机LabVIEW，实现矿井环境数据的实时显示、记录、分析，并实现声光报警或控制其他机械运作以避免人财损失。实际测试表明，该系统具有成本低、组网灵活、测量精度高和实用性强等优点，可以实现矿井环境突变的预警作用。该作品在2017中国南通文化创意设计大赛——产品设计大赛中荣获优秀奖。

参考文献

[1]陈斯，赵同彬，高建东，等.基于ZigBeePRO的矿井瓦斯无线监测系统[J].煤炭技术，2011，30（9）：110-112.

[2]牛春雷，杨维.瓦斯监测层次型无线传感器网络拓扑控制机制[J].煤炭科学技术，2009，37（9）：100-103.

[3]孙振伟，王春艳.基于无线传感器网络的矿用瓦斯监控系统[J].仪器仪表用户，2010，17（2）：17-19.

[4]郑万成，杨胜强，于宝海.煤与瓦斯突出事故预警系统的研究与应用[J].煤炭技术，2009，28（1）：7-9.

[5]庄华勇，伍川辉.基于ZigBee的高速动车组车内温湿度监测系统设计[J].中国测试，2013，39（2）：85-88.

[6] Texas Instruments.CC2530 Datasheet[EB/OL]. [2010-05-03].http：//www.ti.com.cn/

[7]闫明明，郭涛，鲍爱达.基于ARM的无线温度传感器网络设计[J].实验室研究与探索，2014，33（3）：105-109.

[8]郑权，刘增力，刘增强.ZigBee 煤矿温湿度监测系统的精确度研究[J].煤矿机械，2016，37（3）：160-162.

[9]李雪峰.多传感器数据融合技术在家庭安防系统中的应用[J].现代电子技术，2016，39（12）：32-36.

[10]王小强，欧阳骏，黄宁淋，等.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

[11]李爱民，张峰.基于ZigBee/GPRS的温湿度智能监测系统实现[J].农机化研究，2015（3）：108-111.

[12]康冰，林智远，汪鹏，等.基于ZigBee的静脉注射智能远程监控系统[J].吉林大学学报（信息科学版），2016，34（2）：186-191.

[13]齐林，韩玉冰，张小栓，等.基于WSN的水产品冷链物流实时监测系统[J].农业机械学报，2012，43（8） ：134-140.

[14]周湶，馬小敏，陈伟根，等.基于ZigBee和零序电流增量法的配网单相接地故障定位方法[J].电力系统保护与控制，2012，40（9）：62-68.

[15]许童羽，王建东，须晖，等.基于ZigBee与WiFi的北方日光温室群监控系统设计[J].中国农机化学报，2016，37（1）：59-64.

[16]包雪梅，任小洪，王丹，等.基于ZigBee和 LabVIEW的数控机床振动信号分析采集系统设计[J].自动化与仪器仪表，2016（3）：75-77.

[17]王胜贤，高天生.基于ZigBee和GPRS的电梯远程监控系统的设计[J].测控技术，2016，35（3）：149-151.