孟 军

(阳煤集团华创自动化工程有限公司)

基于ZigBee的煤矿主通风机监控系统设计

孟 军

(阳煤集团华创自动化工程有限公司)

针对目前煤矿通风机监测系统存在的高成本、高维护难度和高布线复杂度等缺点，基于物联网的ZigBee技术设计煤矿主通风机的监控系统。实际应用表明，系统能够准确地监测主通风机的实时运行状态，并可通过上位机组态软件显示主通风机的实时运行参数以及变化曲线，同时可自动预警和生成各种报表，为煤矿的安全生产提供强有力的技术保障。

ZigBee 通风机 监控系统

目前煤矿的通风机监控系统一般都采用传感器等终端设备采集通风机的实时运行状态信息，并通过有线方式将数据传输到井下监控站，再通过网络传输到地面。然而由于井下布线难度大，设备和线路经常拆换[1]，因此，有线传输方式存在很多弊端,易出现延迟、误报等现象，通风机监控系统运行将直接影响到煤矿安全稳定生产[2]。以往的无线通信方式所存在的问题导致无线监控系统在矿山领域的应用比较少[3]。

本文设计的基于ZigBee的煤矿主通风机监控系统通过分布在各个终端节点上的传感器实时采集相应监测点的运行参数，数据经终端节点预处理后通过无线方式发送给协调器节点，再将信息通过串口发送给监控主站。该系统具有低功耗、高稳定性、强扩展性等优点，可成功规避有线系统的一些弊端。

1 总体设计

该系统主要由用户终端、协调器节点、路由节点、终端节点和传感器等部分组成[4]。ZigBee终端节点连接有各种传感器，分布在通风机的各个监测点，负责采集环境数据并将处理后的数据发送给路由节点；路由节点则获取各个终端节点发送的数据并通过基于ZigBee的无线传感网络转发给协调器节点，同时各个路由节点之间也可以相互通信，从而大大延长了系统的有效通信距离。协调器节点则通过串口与上位机即性实时通信，上传实时监测信息和接收实时控制命令；最后上位机软件完成对数据的存储和显示等工作。

2 硬件设计

本监测系统的协调器节点、路由节点和终端节点采用基本相同的硬件设计，但又根据具体实现功能的区别对各自部分作出调整，同时通过改变主控芯片CC2530程序从而实现不同的节点功能[5]。硬件系统主要由CC2530微处理器、串口输出模块、电源模块、实时时钟模块、调试模块、射频模块和传感器模块等组成[6]。

2.1 协调器节点硬件设计

协调器节点硬件结构见图1。节点的主控芯片采用德州仪器公司的CC2530芯片，其内置增强型8051内核与RF无线收发器相结合，可在保证系统低功耗的情况下同时增强信号的传输能力[7]。若外加CC2591射频功率放大电路与高增益天线，无线传感网络的覆盖范围可达到450 m。

图1 协调器节点硬件结构

协调器节点在整个监测系统中是唯一的，负责整个无线传感网络的组建与运行，需要的能量较大，加上其与监控主站相连，因此，为满足其能量的要求，本系统采用有线方式供电。供电模块采用5 V电源，并通过电源转换模块将其转换为实际需要的3.3 V电压，电源转换模块的核心IC采用稳定性很好的AMS1117稳压芯片。

当协调器节点成功组建无线传感网络后，便会与各个协调器节点通信：通过上位机的串口接收用户终端发送的命令，同时监听来自于网络的反馈型消息，并上传到用户终端。因此，协调器节点与其他节点相比，增加了串口模块，采用MAX3232作为RS232串口芯片。

2.2 终端节点与路由节点硬件设计

终端节点硬件结构见图2。系统中所有节点均以低功耗和高稳定性为准则设计，因此2节5#干电池提供的能量足以满足其工作需求。由图2可知，除包含各个节点所拥有的共同部分以外，终端节点主要增加了传感器模块，该模块可实现终端节点和各种传感器之间的无缝连接。

图2 终端节点硬件结构

综合考虑具体的监测要求、通风机运行环境、测量精度等因素，本系统采用温度传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器和振动传感器等。

该系统中，路由节点和终端节点采用相同的配置，但其不具有传感器模块，由此不仅缩短了研发周期，并且进一步降低了节点成本。

3 系统软件设计

设计的煤矿主通风机监控的无线传感网路主要由协调器节点、路由节点和终端节点组成。其中，路由节点在子网中充当着协调器节点的角色，管理网络的连接和数据的转换。同时它的网络层会多出一个路由功能，即为通过其转换和发送的数据流寻找一条最为合适的路径。文中软件设计时移植了Z-Stack协议栈，该协议栈提供完整路由协议，并在应用层是透明的，只需要将数据发送到协议栈，即会自动寻找路径，并将数据发送到目的地址，因此，本设计程序开发的主要任务是在Z-Stack协议栈基础上，完成对协调器节点和路由节点的程序设计。

3.1 协调器节点软件设计

协调器节点是整个传感器网络的核心，负责整个网络的建立和稳定运行。系统上电后，协调器节点会扫描并选择一个最合适的信道建立一个初始网络。当有新的设备申请加入该网络时，协调器节点则会分配一个16位的短地址，允许其加入网络。当组网完成后，协调器节点开始接收从终端节点与路由节点上传的数据，并且通过USB接口将其上传到上位机。协调器节点的工作流程见图3。

3.2 终端节点软件设计

终端节点的主要任务是以ZigBee协议的方式将采集到的电机轴承温度、电动机三相电流和三相电压、通风机风量及轴承振动等数据传输到协调器节点。节点完成对传感器和协议栈的初始化后，即开始扫描信道，寻找合适的网络，发送加入网络的信息，当得到确认的答复后，即进入休眠模式以节约能量，当定时器收到唤醒指令后，则开始通过节点上的传感器采集相应的参数信息，并将其上传到协调器节点。终端节点软件流程见图4。

图3 协调器节点软件流程

图4 终端节点软件流程

4 结 语

利用ZigBee技术设计的监控系统可以实现对煤矿主通风机的实时监测和控制，并进行数据统计和报表打印。山西某矿的应用实践表明，该系统具有网络化、集成化和智能化的特点，能保证整个系统的稳定运行，大大提高了煤矿生产的安全保障能力。

[1] 王 殊，阎毓杰，胡富平.无线传感器网络的理论及应用[M]．北京:北京航空航天大学出版社，2007．

[2] 宁炳武. Zigbee网络组网研究与实现[D].大连：大连理工大学，2007

[3] 韩 涛，黄友锐，曲立国. 基于Zigbee的煤矿风机无线监控系统研究[J].煤矿机械，2014，35(1)：218-220

[4] 徐盛龙，王伟波.基于ZigBee的工业无线数据采集器设计[J].工矿自动化，2013，39(7):88-90

[5] 张晓华，张文芳，石如冬，等. 基于ZigBee的油井远程监控系统设计与实现[J].控制工程，2013，20(5):1-4

[6] 彭 芳. 基于ZigBee的冷库监控系统设计与实现[J].中国农机化学报，2013，34(5): 247-250

[7] 张俊勇.基于组态王的MPS组态监控系统的设计[J].制造业自动化，2010，32(8):167-171

2015-04-21)

孟 军 (1987—)，男，助理工程师，045000 山西省阳泉市经济技术开发区北海路三亚街1号。