基于Zigbee技术的煤矿井下通风机监控系统设计.docx

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基于Zigbee技术的煤矿井下通风机监控系统设计

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宗朝阳+王成

【摘要】针对目前煤矿井下通风机监控系统布线困难、可移植性差等缺点，笔者基于Zigbee技术，设计了煤矿井下通风机监控系统。该系统无需在井下铺设网络线路，通过Zigbee传输协议，在地面上完成对井下带式传送机整个运行过程的监测显示、控制、保护、报警和管理。

【关键词】Zigbee；CC2530；通风机；监控系统

0引言

通风机作为煤矿生产的辅助设备，在煤炭的生产过程中起着举足轻重的作用。由于矿业生产属于高危行业，因此在煤矿的生产过程中，安全是第一位的，煤矿的安全监控便是其中重要的一部分。传统的有线监控系统布线复杂、线路易老化、设备拆装繁琐，不利于监控系统的发展，加之煤矿生产环境恶劣，因此煤矿对监控系统的安全性和可靠性的要求较高。Zigbee技术[1]作为一种新兴的无线通信技术，其定义了短距离、低数据传输速率的无线通信协议，很好的解决了井下繁杂的布线问题，为煤矿的安全生产提供了保障。

1系统总体架构

基于Zigbee技术的煤矿井下带式传送机监控系统包括地面监控系统和井下无线传感器网络两大部分[2-3]。地面监控系统主要是由监控主机和工业以太网组成，井下无线传感器网络主要是由Zigbee协调器节点和多个Zigbee终端节点组成，Zigbee终端节点连接有多种传感器用于对通风机运行数据的采集与传输。系统结构如图1所示。

图1系统整体架构

2系统硬件设计及传感器选型

2.1终端节点硬件设计

Zigbee终端节点主要由TI公司的CC2530芯片作为内核，并配备数据采集模块、高频天线模块、电源供电模块、AD转换器、串行通信接口、闪存控制器、DMA控制器、4个定时器、AES协议处理器、无线电控制模块等外设。由于CC2530芯片不仅是一款无线发射芯片，还具有一定的控制功能，可完成本设计所需全部功能，因此无需外加控制芯片便可实现对带式传送机运行数据的实时采集和发送。

2.2协调器节点硬件设计

Zigbee协调器节点是整个监控系统的枢纽，既要负责向监控主机发送数据，实现与监控主机的通信，又要对终端节点发送过来的信息进行汇总过滤，完成Zigbee网络的创建。Zigbee协调器节点选用TI公司的CC2530芯片作为其内核，实现数据的处理和传输，它由LCD显示模块、按键模块、报警模块、电源供电模块、串口模块、高频天线模块及JTAG测试接口模块等7部分组成。在系统运行过程中，若需要对预先的一些设置进行改变，可通过按键模块实现。报警模块可实现对故障信息的报警功能，以提醒监控人员。

2.3传感器选型

参数采集模块根据实际测量参数选择传感器或相应测量装置，采集信息包括通风机风量、负压、风速、轴承温度、轴承振动，电动机电流、电压、绕组温度等参数。其中，通风机轴承振动的采集选用CZ891一体化振动变送器，将振动传感器和信号调节电路集成为一体，能将现场采集的振动信号直接变换为标准的电流信号输出。

通风机风量和通风机负压的测量均采用PTG501负压传感器，通过挤压压敏原件，改变压力采集电路中的电阻值，将被测量对象的压力转换为4～20mA的标准电信号并传送给终端节点。

通风机风速的测量采用GSC200型速度传感器。正常时，GSC200型速度传感器输出端输出高电平信号，当风速低于设定值25%时，经过10～15秒延时，速度传感器输出端输出低电平信号并传送给终端节点。

通风机轴承和电动机绕组温度的测量采用MircroChip公司的数字温度传感器TC77，该温度传感器内置12位ADC转换模块，温度分辨率可达0.0625℃，确保了被测对象的精准检测。

电动机的电压和电流参数的测量采用JD1940-BS4I型电量变送器，输入信号源可以是电压，也可以是电流，该电量变送器可以准确检测这两种信号，满足实际测量需求。

3系统软件设计

3.1终端节点软件设计

为保证终端节点软件设计部分的可靠性和完备性，终端节点的软件实现以Z-stack协议栈为基础，采用电池供电的工作方式，减少数据采集频率，降低了节点的能耗。节点采用信息采集-休眠-定时唤醒的循环工作模式（每60s唤醒一次）采集带式传送机的运行数据，并将采集到的数据实时传送给协调器节点。在收发模式下工作时，系统的工作电流为15mA～17.5mA。在转换为休眠模式后，节点处于低功耗的待机状态，工作电流仅为1.25uA，大大降低了终端节点的能耗，满足了终端节点长时间工作的要求，提高了终端节点的稳定性。通过测试可得终端节点在一个数据采集周期内的实验数据，根据实验数据计算终端节点的电池寿命长达两年之久。

系统运行时，首先执行系统初始化，进行I/O端口、AD转换、定时器等硬件模块的初始化和网络地址、网络号、唤醒时