电子设计工程
Electronic Design Engineering
第27卷Vol.27第20期No.202019年10月Oct.2019
收稿日期：2019-02-24
稿件编号：201902077
基金项目：国家自然科学基金（11572259）；陕西省科学技术研究发展计划项目（2016KW-049）作者简介：邓瑶（1963—），女，陕西西安人，副教授。研究方向：电工理论与新技术，通信技术。
我国拥有丰富的煤炭资源，由于绝大部分煤矿地质复杂，使得煤矿的开采难度越来越大，所以煤矿安全受到越来越多的重视。煤炭企业是国民经济的重要产业，煤矿的安全生产受到人们的密切关注，所以煤矿监控是保证矿井人员安全的重要手段之一。但是煤矿工业安全隐患多，事故仍然偶有发生，传统煤炭控制监控系统在智能性、实时性、稳定性等方面存在着诸多问题。为了在事故发生后及时准确的判定井下人员位置，减少人员伤亡，抓住最佳救人时机，准确的对井下人员组织管理。在煤矿生产中，设备的实时监控，保证数据的实时可靠传输的无线传输网络，井下人员的位置定位，在煤矿的安全生产中有着重要的意义。无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN ）是一种新兴网络技术，具有可 靠性好、精度高等优点。本文采用ZigBee 技术进行无线通信，它是一种基于IEEE 802.15.4标准的近距离无线通信技术，适合用来构建井下传感器网络。文中提出了一种具有可行性的设计方案，并给出了系统的详细设计过程[1]。
1ZigBee 传感器网络技术
仿真假山
ZigBee 标准是一种短距离通信的新兴技术，是
建立在IEEE 802.15.4标准之上的基于计算机技术开发的应用系统，采用跳频技术，主要适用于自动控制和远程控制领域。其短间延、速率低、安全性高，支持点对点、点对多以及多跳自组网灵活，鲁棒性高、体积小，价格低，增强井下监控系统的扩展性等
基于WSN 的煤矿数据采集监控及井下定位系统的设计
铝塑型材邓瑶1，宿梦嘉2
（1.西安航空学院电子工程学院，陕西西安710077；2.西北工业大学陕西西安710072）摘要：基于提高煤矿井下人员的人身安全和生产安全的目的，采用了ARM 和ZigBee 技术结合的方法，研究了一款煤矿实时监控系统。通过系统功能测试和通信距离测试，得出了该系统具有较高的测量精度，具备远程、低速率、低功耗的通信能力，能实时对井下环境数据进行监控，环境参数低于设定极限值时可以
进行预警提示。关键词：ARM ；ZigBee ；传感器；监控中图分类号：TN92
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2019）20-0084-04
Design of coal mine data collection monitoring and downhole positioning system
based on WSN
DENG Yao 1，SU Meng⁃jia 2
（1.School of Electronic Engineering ，Xi ’an Aeronautical University ，Xi ’an 710077，China ；
2.Northwestern Polytechnical University ，Xi ’an 710072，China ）
Abstract:In order to improve the personal safety and production safety of underground coal mine personnel ，a real-time monitoring system for coal mine is studied by combining ARM and ZigBee technology.Through system function test and communication distance test ，it is concluded that the system has high measurement accuracy ，long-distance ，low-speed ，low-power communication capability ，real-time monitoring of underground environmental data ，and early warning when
阳光下可视液晶屏
environmental parameters are lower than the set limit value.Key words:ARM ；ZigBee ；sensor ；monitoring
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特点，最适合作为传感器网络的标准。在构建的网络中，可以把每个网络数据传输模块看作是移动网站的一个基点，同时实现各个网点之间进行相互通信。目前ZigBee 技术应用于煤矿井下定位属于其中工控的一部分，基于ZigBee 无线传感器网络定位技术的关注度不断提升。在节点定位过程中，可将节点分为参考节点和定位节点。定位节点负责获得与邻近参考节点之间的相对角度和相对距离，并通过计算确定具体位置 [2-4]
。
几种无线短距离通信技术特点比较如下：①Wi-Fi 无线技术的特点：高速率、组网灵活、移动性好；但同时存在宽带比较窄，易受干扰，数据安全性不高，功耗较高。②红外技术有效通信距离10m ，传输速度较快，成本低，直线传输、扩展性差等特点。③蓝牙技术其优点是拥有100m 超长距离，兼容
性好，延迟仅3ms 等特点。缺陷是配置的节点太少，大型网络中应用困难，芯片贵，传输距离不足。④NFC 是一种非接触式点对点短距离的高频无线通信技术。建网时间小于0.1s 是蓝牙的数十倍，成本低简单方便。表1为集中短距离通信及性能参数对比。
表1
近距离通信及其性能参数
规范Wi-Fi 红外蓝牙
ZigBee NFC
802.11a 802.11b
802.11c
工作频段5.2GHz 2.4GHz 2.4GHz 820nm
2.4GHz 868/915/
2400MHz
13.56MHz
安全性低低低低高中等极高
最大功率/MW 100100100
1-101-100
1-31-100有效传输距离/m 10-10010-10010-100<10<1075-100<20
2系统整体架构设计
本文设计利用无线传感器网络进行井下环境实时数据监测，通过采集煤矿井下瓦斯浓度、压力、温度、湿度、图像等环境参数，进行有效的数据分析，以确保安全生产。矿井内的传感器等进行数据采集，然后CC2531芯片对数据进行转换处理后，传输至对应的ZigBee 路由节点；当数据传输到上位机时，则对矿井瓦斯浓度等相关信息进行有效监控[5]
。具体如图1所示。
无线传感器组网技术负责随机布置传感器节点
之间的无线通信以及自组网络。
图1煤矿井下监控系统总体设计图
1）CC2531是典型的ZigBee 芯片，主要负责数据
传输的安全性和可靠性。其协议设计完全符合IEEE802.15.4工作小组制定标准。CC2531硬件自带帧过滤和帧校验，缩短帧处理时间，提高数据传输
的可靠性。
2）首节点建立网络，其他节点逐个加入，确定最终路径。新节点的加入有两种方式：
a.新节点持续发生入网请求命令，新节点根据
接收到的在线节点发送的数据包内容以及返回包的能量强度，并插入链路中，将新链路上传给在线节点，并更新整个网络。b.新节点持续发送重新组网命令，在线节点收到后广播整个网络重新组网，所有节点再次生成新的链路。
3）QoS （Quality of Service ）控制是用来解决网络
阻塞和网络延迟等问题的一种技术。如果网络在时间上无特别要求，比如Web 、等，一般来说不需要QoS 。但是对于一些有时间限制的应用，比如环境实时监控系统，在网络拥堵的时候，必须保证数据传输不受延迟或者丢弃[6-8]。
3煤矿井下监控系统硬件设计
3.1
该设计方案的硬件选择
监控系统硬件包括微处理器、传感器芯片、摄像头、无线通信模块、语音报警模块、LCD 显示模块、电源模块。其结构框图如图2所示。微处理器采用的是STM 系列的STM32F103ZE ，该芯片处理速度快，低功耗，可保证采集数据的快速处理。传感器芯片包括温度、湿度、压力、瓦斯浓度等传感器，将其安置于各监测点，实时采集各监测点数据，并发送给微处理器进行处理和分析。无线通信模块使用的是CC2531芯片，可以实现无线数据发送和接收。LCD 显示屏用于实时显示数据，便于观察井下实时安全状态。语音报警模块用于对环境参数高于极限值
时，进行语音报警提示，提高煤矿井下的安全性[9]。3.2无线传感器节点结构设计
处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源
模块组成了无线传感器节点。其作用是采集监测区
邓瑶，等基于WSN 的煤矿数据采集监控及井下定位系统的设计
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《电子设计工程》2019年第20期
的信息；对整个传感器节点的传输数据进行操作，存储和处理；建立与传感器节点之间的无线通信，并收发采集数据和交换控制信息。
节点设备的设计采用2.4GHz 射频芯片CC2531，可以实现无线定位功能，具有低功耗的特点，为了简化传感器节点的设计，该芯片整合了内存、ZigBee 射频（RF ）前端和微控制器。由于无需外接处理器模块，从而节点的成本极低[10]。图3所示ZigBee
网络节点结构。
ic编带
图3
ZigBee 网络节点结构
3.3信息获取
本系统主要通过ZigBee 无线网络获取矿井环境
及井下工人的位置两种数据信息。①温湿度、压力、瓦斯浓度等信息获取：首先是上位机向协调器发送的命令，并传达到各传感器，传感器所获取的环境数据通过协调器上传给上位机，最后得到具体的环境信息。②井下工人位置信息获取：佩戴终端的矿工接收到上位机发给协调器的命令，终端将邻近的自身功率利用协调器发送给上位机，最后计算得到工人的精确位置。同时在ZigBee 无线模块上配有求助按键，如遇危险，可以利用该按键发出求救信号[11]。
4系统软件设计
4.1
系统流程
首先初始化设备、网络、所有传感器节点，由传
感器节点采集数据，组建网络、增删终端节点、查询节点的数目、检查各终端节点的运行情况（周期性）、实现各终端节点和控制中心数据、命令的发送和接收，上位机把数据传给应用程序，判别数据的合法性以及是否超出限定范围；未超标则存入数据库，否则
报警。具体流程如图4所示[12]
。
图4系统流程图
4.2终端节点软件设计
终端节点都有1个唯一的地址，主要负责控制
太阳能光伏密封胶各传感器模块。具体包括启动控制传感器模块、接
收采集的数据参数、检测无线ZigBee 网络是否空闲、申请加入空闲网络、发送数据参数、接收控制指令[13]。
4.3矿工位置定位方案及位置坐标算法设计
员工定位是矿井管理的中心任务，系统的定位
方案为：1）目标识别：指利用当前的视频图像分析识别；2）进入识别：指检测到视频图像中有人或者物品进入到某一个特定区域中，可立刻报警处理。3）变化识别：本系统能自动捕获当前场景发生变化及摄像头被非工作人员改变位置的情况，并自动报警[14－16]。
采用极大似然法计算出矿工终端的具体位置坐标。设N 个基准信标节点位置是(x 1，y 1),(x 2，y 2)，…,(x N ,
y N )，它们与待定节点M 之间距离分别为：
ìíî
ïïïïïïïï(x -x 1)
sofa燃烧器2+(y -y 1)2=d 1
(x -x 2)2+(y -y 2)2=d 2⋮(x -x N )2+(y -y N )2=d
N 图2系统硬件结构框图
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接下来利用1~n -1式分别减去n 式，便可获得线性方程AX +BY =c 。最后用最小均方差获得终端的具体坐标。
5系统测试分析
系统测试分为功能测试和通信距离测试。在实验环境下，对系统进行功能测试，采用标准浓度的瓦斯气体和实验室当前环境下的温湿度[17]，结果如表2所示。测试表明，该系统具有较高的测量精度。
表2
功能测试结果
编号12345
瓦斯浓度/%
0.61.02.03.04.0
温度/℃21.121.221.121.021.1
湿度/%46.446.045.946.146.0
系统进行通信测试，由图5分析可知，随着通信距离的增加[18]
，丢包率也明显增大。为避免数据在ZigBee 网络中传输时因多次重发造成网络阻塞，为了确保数据的有效接收，当ZigBee 传感器节点距离
超过65m 时，应增加ZigBee 网络节点，保证网络节点之间的有效通信。测试表明：终端具备远程、低速率、
低功耗的通信能力。
图5通信距离测试（测试时间10min ）
6结束语
本文利用ARM 和ZigBee 技术，设计了一款煤矿实时监控系统，能满足煤矿安全的监控需要，对井下环境信息进行实时检测[19]，实现工作人员的定位，减小了煤矿事故发生的频率。该方案对煤矿的安全生产有着重要的指导意义。
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