（控制科学与工程专业论文）基于zigbee技术的矿井综合监测系统设计与网络节点开发.pdf

摘要 近年来，国内外很多矿山企业开始了数字矿山的建设，很多成熟 的工业监测技术已运用到矿山企业生产中，对保障矿山安全生产发挥 了重要作用。但现有的大多数监测系统彼此孤立、自成体系，传感器 接入不灵活，数据采集的范围窄，同时由于缺乏综合通信平台，矿井 各生产环节联动性差，效率低。 本文针对国内外矿井综合监测系统现状，分析了矿井综合监测系 统的需求，提出了一种基于z i g b e e 技术的矿井综合监测系统方案， 文中详细叙述了该系统的整体架构和体系结构，分析了系统中数据采 集网络的拓扑结构和工作原理，并结合高速光纤以太网构建了矿井综 合通信平台，为矿山其它子系统提供了数据传输的链路。 文中重点研究了数据采集网络中节点的原理和设计方法，设计了 数据采集终端和网关的软硬件。在硬件设计过程中，重点分析了高频 电路阻抗匹配的重要性，借助史密斯圆图完成了无线模块的阻抗匹 配，同时给出了节点控制主板、传感器、以太网等模块的硬件方案和 设计要点。研究了z i g b e e 协议的路由算法，针对节点的低功耗需求 对其进行了改进，并在节点上完成了协议栈的移植。同时编写了无线 芯片、温湿度传感器的驱动程序，最后在网关上移植了t c p i p 协议， 并基于该协议制定了一套上层通讯协议和数据组帧方式。 在文章的最后，对所开发的节点进行了组网演示，同时对数据采 集终端进行了功耗测试和分析，结果表明，节点组网灵活，功耗低， 适合矿井应用，整个方案对研发新型的矿井监控系统具有很好的参考 价值。 关键词z i g b e e ，无线传感器网络，矿山安全监测，数据采集，网关 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，m a n ym a t u r ei n d u s t r ym o n i t o rt e c h n i q u e sa r ew i d e l y u s e di nm i n ee n t e r p r i s e sf o rt h ed m ( d i g i t a lm i n e ) t h e s ea r ep l a y i n ga l l i m p o r t a n tr o l e t oi m p r o v et h es a f ep r o d u c t i o n h o w e v e r , t h ee x i s t i n g s y s t e m sa r ei s o l a t e df r o me a c ho t h e ra n ds e l f - c o n t a i n e d b e c a u s eo f i n f l e x i b l es e n s o r s ，n a r r o wd a t aa c q u i s i t i o ns p e c t r u m ，a n da l li n c o m p a t i b l e c o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ，t h ep o o rl i n k a g eb e t w e e nd i f f e r e n tc o m p o n e n t s a n dl o we f f i c i e n c ya r eu n a v o i d a b l e i nt h i sp a p e r , t h ed e m a n do fm i n ec o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n gs y s t e m i s a n a l y z e d ，b a s e d o nt h ec u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o no fm i n e c o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，a n dan e wk i n do f m i n em o n i t o r i n gp l a ni s p r o p o s e db a s e do nz i g b e et e c h n i q u e t h e g e n e r a lc o n s t r u c t i o na n da r c h i t e c t u r ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，t h et o p o l o g y a n dp r i n c i p l eo ft h ed a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) n e t w o r ki ns y s t e ma r e a n a l y z e d i nt h e p a p e r , a n dt h e m i n ec o m p r e h e n s i v ep l a t f o r mi s c o n s t r u c t e d ，c o m b i n e dw i t ht h eh i g hs p e e do p t i c a lf i b e re t h e r n e t ， p r o v i d i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o nl i n kf o rt h eo t h e rs u b s y s t e m so ft h em i n e t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o d o l o g yo ft h en o d e si nt h ed a q n e t w o r ka r es t u d i e di nt h i s p a p e r , a n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e r e a l i z a t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l i n c o m p l e t i n gt h eh a r d w a r e ，t h e i m p o r t a n c eo ft h eh i g hf r e q u e n c yi m p e d a n c em a t c hi sa n a l y z e dw i t h a p p l y i n gt h es m i t hc h a r tt or e a l i z et h ei m p e d a n c em a t c hi nt h ew i r e l e s s m o d u l e m e a n w h i l e ，t h eh a r d w a r eo ft h em o t h e r b o a r d ，s e n s o r , a n d e t h e r n e tm o d u l ei nt h en o d e sa r ea l s oo u t l i n e d t h ek e yp a r to ft h e s o f t w a r ei sz i g b e er o u t e ra l g o r i t h ma n di t si m p r o v m e n tf o rl o wp o w e r , t h e nt h ep r o t o c o ls t a c ki st r a n s p l a n t e di n t ot h en o d e s t h ed r i v er o u t i n e s f o rt h ew i r e l e s s c h i p sa n dt e m p e r a t u r e h u m i d i t ys e n s o r s a r ec o d e d f i n a l l y , t c p i pp r o t o c o li st r a n s p l a n t e di n t ot h eg a t e w a ya n dd e s i g nat o p l a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw i t hi t sf r a m ec o n s t i t u t i o n i nt h ee n d ，t h ed e m o n s t r a t i o no fn o d e si sp r e s e n t e d w i t ht h ea n a l y s e s o fp o w e rc o n s u m p t i o no ft h ed a q e n d s ，i ti ss h o w nt h a tt h en o d e sh a v e g r e a tf l e x i b i l i t ya n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，i ti sa p p l i c a b l e i j f o rt h em i n ea p p l i c a t i o na n dt h eo v e r a l ld e s i g nf o rt h es y s t e mw i l l d e f i n i t e l yb ea ne x c e l l e n tr e f e r e n c ef o rd e v e l o p i n gt h e n o v e lm i n e m o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s z i g b e e ，w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k , m i n es e c u r i t y m o n i t o r i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，g a t e w a y i l l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 眺号链月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 ：翠年月丛日 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 矿山生产处在危险复杂的环境中，井下作业的危险系数较高，矿山企业需要 面对各种突如其来的设备故障和自然灾害 1 】。近年来国家有关部门虽下大力气整 治矿山安全生产，通过不断努力，近段时期安全状况总体趋于好转，但由于基础 薄弱等原因，生产状况仍不容乐观，矿井安全生产事故仍时有发生，并且井下复 杂地形给矿工撤离和事故抢救带来了极大困难。如何实现矿山管理的现代化、信 息化逐渐成为矿山企业关心的问题【2 】。为了有效地监测和管理矿山的安全状态， 采取科学、系统、完整的措施改变我国矿山安全现状及落后面貌，加强矿井安全 生产监控技术及其方法的研究，是目前矿山企业需要解决的迫切问题，建立以灾 害预防、事故营救、电子信息化管理为主要目标的信息智能化矿山管理体系势在 必行。面对现实情况，为确保矿山安全、高效生产和生产过程控制与调度的自动 化，国外在矿山行业提出了数字矿山的概念【3 】。国内很多矿山企业也都开始了数 字化的改造，很多成熟的工业监测技术运用到矿山企业生产中，各式各样的监控 系统投入运行，矿山数字化建设的步伐逐渐加快，对保障矿山安全生产发挥了重 要作用。但与国际上发达国家对比差别较大，各种系统相互问不兼容，智能程度 低，主要采集灾害危险因素和信息量及其所带设备数量少，信息传送速度慢，报 警查询速度慢，控制功能弱，或者基本不具备远程控制和智能控制等功能【4 】。特 别是现有矿山安全保障系统的预警功能不强，基本上停留在报警而不是预警这样 的一个水平上，虽然各种灾害因子的监测和预报技术也有一定程度上的应用，到 目前为止还没有形成成熟的技术，没有成为一个完整预警系统的一部分。因此研 发新型的矿山安全监控系统，建立完善成熟的矿山危险因子检测、预警技术以及 先进的安全生产管理技术依然是亟待解决的问题【5 】。 目前国内矿山安全和生产监测等各种信息的采集和传输网络，基本上都是分 支树型的主从式结构，在控制中心设置主站，井下现场设置多个测控分站。分站 与每个传感器之间分别铺设专用电缆，通过模拟信号传输信息，分站采集信息并 转换成数字方式后传送给主站。传感器接入不灵活，在矿山开采工作面实现跟进 不方便等缺点，成为监控信息采集和传输的瓶颈【6 】。井下特别是工作面移动生产 设备多，工作条件复杂，用传统方式对工作面安全参数进行监测，需要铺设大量 电缆，这些电缆随着开采工作面的推进不断移动，经常会被砸断，影响监测连续 性，维护也十分不便。因此现有的井下监测系统对关键参数的采集深度和广度不 硕十学位论文第一章绪论 够，比如温湿度、电力、压力、有毒气体浓度等参数监测不能令人满意。另外， 对于安全生产的监管来说，信息快速、实时的收集非常重要，但当前矿山企业管 理部门，信息化装备十分落后，多数还是传统的人工管理，有些甚至根本不具备 计算机报送数据的能力。因此必须采用信息化的手段，利用一种统一的可靠的数 据传输平台，融合矿山各种监视、控制、通讯系统，真正实现矿山全面数字化， 保证矿山企业生产过程的可视化、可控化、可知化【7 1 。 为此，结合国内外的研究现状，并实地调研了云南大红山铜矿，提出了本系 统的设计方案。将z i g b e e 无线传感网络技术应用于矿井安全领域，并与工业以 太网络技术相结合，构建矿山综合通信平台，实现了矿井安全综合监测系统。本 系统克服了现阶段各种矿山安全监测系统的网络传感器接入不灵活和跟进不方 便等困难，也解决了现有监测系统中各种子系统相互独立，不能融合使用的问题。 所提出的这套系统设计方案，对矿山生产过程、设备与开采环境等数据实现自动 采集。包括温湿度、可燃气体、有毒气体、矿尘、微震、风压、壁压等对矿井安 全生产具有重要影响的矿井环境参数的采集；矿井各种运行设备状况数据的采 集；人员、矿车行动轨迹数据的采集。实时灵活的无线传感网络确保整个矿井各 种信息的数字化。高速的光纤以太网平台为语音通讯、视频监控和数据传输提供 了一个稳定可靠的数据链路。本系统是集监测、通讯、预警和日常管理等一体化 的综合性智能管理系统，这一设计方案的提出，将为矿山企业的安全生产和日常 管理以及事故急救、故障预警开辟一个新的平台。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数字矿山监控系统研究现状 就数字矿山的研究来看，国外技术要远远领先于国内，国外矿山企业的信息 化已经与其他行业站在了同一水平，实现了矿山生产过程的可视、可控、可调和 高效率、高安全性与决策的科学化【8 1 。加拿大从2 0 世纪9 0 年代初开始研究遥控 采矿技术，目标是实现整个采矿过程的遥控操作，实现了从地面对地下矿山进行 控制。加拿大政府拟在2 0 5 0 年实现的远景规划中，即将加拿大北部边远地区的 一个矿山改造为无人矿井，通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自 动切割采矿【9 1 。芬兰、瑞典等国家采矿业也实施了自己的智能采矿长期规划，内 容涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动 控制等多个方面。国内在资源管理数字化、技术装备智能化、过程控制自动化、 生产调度可视化及生产管理科学化等方面与发达相比还有相当大的差距，目前仍 处于数字矿山建设的起步阶段【l o 】。 国外研制矿井监控系统起步较早，大约开始于2 0 世纪6 0 年代。2 0 世纪7 0 2 硕十学位论文第一章绪论 年代和8 0 年代美国、法国和英国等先后研制应用了多种型号的矿井监控系统， 如美国的s c a d a 系统、英国的m i n o s 系统、德国的t f 2 0 0 系统、法国的 c t t 6 3 4 0 系统、加拿大的森透罩昂系统等，其中有代表性的一些系统已先后引 入我国【l l 】。 我国研制矿井计算机监控系统起步较晚，为了加快实现煤矿工业现代化管理 的步伐，2 0 世纪8 0 年代初期，我国先后从国外引进了数十套监控系统，这些系 统在我国的煤炭行业中发挥了一定作用，也为我国研制矿用监控系统提供了较好 的借鉴【1 2 】。它们虽均为综合型监测系统，但侧重于安全参数的监测和控制，引进 这些系统，普遍存在着性价比过低，系统软件特别在文档处理方面，不太符合中 国国情等问题。因此，在吸收国际先进技术的基础上，我国相继出现了仿制国外 的监控系统，但是这些系统仍存在着不同程度的问题【l 3 】： ( 1 ) 监测信息只做简单处理，监控系统缺乏智能化，无法由监测系统进行危 险性评价，以获得最优安全生产方案。 ( 2 ) 监测信息网络化程度不高，有关科室人员不能在办公室实时浏览其监控 信息。虽然新型监控系统较好地解决了利用计算机网络传输检测结果的问题，但 是监测的参数少，而且不能远距离、及时地把监控数据传给上级管理部门，给领 导的正确决策带来诸多不便。 ( 3 ) 由于传感器数量少、设置地点不尽合理、设置时间滞后以及监测信息不 够全面等问题，目前还不能够完全依靠监测系统的信息进行安全生产管理工作， 还大量地采用手工传递和处理信息。 ( 4 ) 数据采集网络的信号传输方式采用的是有线传输，由于布线不便、设备 安装的局限性大等因素客观上限制了数据采集的深度和广度，使得传感网络扩展 性不强，数据采集的范围窄，其移动性差，难以实现整个矿山生产的实时监测， 更无法实现故障预警功能【1 4 】。 1 2 2z i g b e e 无线传感网络的研究现状 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) 是由美国高级国防研究 中心用于军事目的提出并实施的，是当前国际学术界和产业界共同关注的前沿研 究热点【1 5 】。典型的无线传感网络如图1 1 所示，是一个范围广、自组织、动态性 和可靠的网络，由部署在监测区域内大量的廉价集成化微型传感器结点组成，能 够通过各类微型传感器相互协作，实时、全方位地感知、采集和处理网络覆盖区 域中感知对象的信息，监测的信息可由自组织的无线通信网络、以多跳中继的方 式传送到监控中心，使监测者能够实时准确地获取监测区域的详细信息【l6 1 。在无 线传感器网络中，结点可通过飞机布撒，人工布置等方式，大量部署在感知对象 内部或者附近。这些结点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采 3 硕士学位论文第一章绪论 集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采 集、处理和分析。 监控区域 一 传感器节点 器汇聚节点 图1 - 1典型的无线传感器网络体系结构图 无线传感器网络不同于传统数据网络，众多的关键技术为无线传感器网络的 设计和实现提出了新的挑战。一个简洁的、容易实现的、高效的无线通信协议成 为了实现无线传感器网络性能成败的关键，因此，一种便宜的、低功耗的近距离 无线组网通信技术z i g b e e 技术诞型1 。7 1 。2 0 0 2 年，由i n v e n s y s 公司、三菱电 气公司、摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头组成的z i g b e e 联盟， 合力研发z i g b e e 技术，到2 0 0 4 年底，z i g b e e l 0 标准版正式公布f 埽】。z i g b e e 技 术不同于其他无线通信协议，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。z i g b e e 协议是在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的基础上制定了网络层、应用层及安全层，是一个 完整的标准协议，已经成为无线传感器网络的国际标准协议( 1 9 1 。 虽然z i g b e e 技术诞生不到几年，但发展非常迅速，到目前为止，除了 i n v e n s y s 、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已 有1 5 0 家成员企业，并在迅速发展壮大。随着规范的制定，z i g b e e 的发展方兴 未艾。目前很多大型的知名的公司纷纷推出自己的z i g b e e 解决方案，比较著名 的有f r e e s c a l e 公司、t i 公司等【2 0 1 。最近c e l 公司也推出z i c 2 4 1 0 单片z i g b e e 解决方案。 我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，1 9 9 9 年首次正式出现于中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的信息与自动 化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一【2 1 1 。随着知识创新工程 试点工作的深入，2 0 0 1 年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心， 引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重 大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半 4 硕十学位论文 第一章绪论 导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平 台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、和应用系统等方 面取得很大的进展，2 0 0 4 年9 月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分 成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究 热潮【2 2 2 3 1 。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、上海交通大学 等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通 讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列【2 4 j 。浙江大学的胡大可教授 2 0 0 5 年开始了z i g b e e 无线传感器网络研究。国内对z i g b e e 传感器网络的应用 还没有被全面推广，但在石油化工、定位、无线抄表、医疗监护等领域有了应用 实例，在矿井中应用z i g b e e 技术还处于研究阶到2 5 j 。考虑到矿井的特殊环境和 z i g b e e 技术的一些优点，把z i g b e e 无线传感器技术应用在数字矿山中监控系统 中，可以以最低成本实现各种设备、人员位置信息和运行状态的数据的采集，确 保采矿工艺和设备能够充分的发挥应有的效益和效率、降低生产过程中各类事故 的发生率、提高生产环境和过程的安全性、增强管理与决策过程的主动性，非常 具有研究意义。 1 - 3 论文主要研究内容与方法 根据对云南大红山铜矿生产过程的实地考察，并结合国内外现有矿山监控系 统研究现状，针对目前监控系统的一些固有缺点，比如数据采集范围小、布置不 方便、随着矿山的开采网络跟进不方便等，本文中提出了一种基于z i g b e e 技术 智能无线传感网络的矿井综合监测系统。并结合高速光纤以太网技术，构建了一 个矿井综合通信平台，为矿山其他子系统提供了数据传输的链路，方便其他系统 的融合，同时综合分析了基于该平台实现矿井综合监测可行性以及关键技术。随 后，在总体构思的础上，对z i g b e e 协议的组网技术和各种规范进行研究，选取 一种合适的组网方式，使之适合矿井现场通讯。重点是研究数据采集系统各功能 模块的具体实现，对当前无线射频芯片和嵌入式处理器进行研究，选取合适的芯 片进行开发，在硬件设计过程中，重点分析了高频电路阻抗匹配的重要性，借助 史密斯圆图完成了无线模块的阻抗匹配，同时给出了节点其他关键模块的硬件方 案和设计要点。软件部分主要研究了z i g b e e 协议的一些关键技术，针对节点的 低功耗需求对其路由算法进行了改进，并在节点上完成了协议栈的移植。同时完 成了无线芯片、温湿度芯片的驱动程序，最后在网关上移植了t c p i p 协议，并 基于该协议上制定了一套上层通讯协议和数据组帧方式。具体实现z i g b e e 网络 中数据采集模块和z i g , b e e 与以太网通讯的网关模块。最后，在搭建好的硬件平 台结合上位机软件组网测试系统的运行情况，并对系统的进一步改进提出建议。 5 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 论文的组织结构 根据论文的内容对本文结构安排如下： 第一章：绪论，综合性地概述了课题的研究背景以及矿井综合监控系统的国 内外研究现状，介绍了本文所作的主要内容及论文的组织结构。 第二章：基于z i g b e e 技术的矿井综合监测系统总体架构设计，分析了矿井 一些安全生产的关键影响因素，针对矿井综合监测系统的需求，提出了结合 z i g b e e 网络与高速以太网技术实现矿井综合监测系统的具体思路和实现方法， 分析了系统实现的框架与关键技术，并针对矿井生产实际需求设计了z i g b e e 数 据采集网络的具体拓扑结构。 第三章：z i g b e e 数据采集网络节点硬件设计，具体设计了z i g b e e 数据采集 网络节点的硬件，包括数据采集终端和网关的各个硬件模块，对关键的无线模块 设计时进行了阻抗匹配分析并借助史密斯圆图完成了阻抗匹配。 第四章：z i g b e e 数据采集网络节点软件设计，具体设计了z i g b e e 数据采集 网络节点的软件，对数据采集终端和网关进行了相应的协议移植和应用程序的开 发，编写了硬件的驱动程序，重点分析了z i g b e e 协议开发过程，针对节点的低 功耗需求对z i g b e e 路由算法进行了该进，并独立制定了一套上层通讯协议。 第五章：系统测试与结果分析，在设计好的硬件平台上结合上位机软件进行 组网演示，重点测试了节点的功耗，并分析测试结果。 第六章：结论与展望，总结全文，对下一步的工作进行了阐述。 6 硕士学位论文 第二章系统总体架构设计 第二章基于z ig b e e 技术的矿井综合监测系统设计 2 1 影响矿井安全生产的关键因素分析 矿山的生产是针对位于地下的三维空间中的矿体，矿体周围又有复杂的地质 断层，矿山生产的采矿、掘进、通防、机电、运输五个大系统就分布在地下空间 中，整个生产过程受瓦斯、一氧化碳、煤尘、涌水、机电、顶板、通风等因素的 威胁，复杂的环境条件要求我们随时要注意安全，出现异常能快速准确地定位事 故及准确的采取措施【2 6 1 。井下作业的危险系数较高，各种因素相互影响，有效地 控制好各种关键因素对矿井安全生产有着重要的意义，总的说来主要有以下几个 因素对矿井生产影响最大： ( 1 ) 温湿度 随着矿井开采深度的逐步增加，地温也随之升高。地温一旦升高，热害以及 有毒有害气体、粉尘的危害也将随之增大。湿度主要影响静电的积累和粉尘的含 量。在相同条件下，相对湿度越低，也就是越干燥，静电电压越高。静电不仅会 损坏设备，影响操作人员的身体健康，还会给操作人员带来心理上的不安，降低 工作效率。湿度过高，严重降低电路的可靠性，并且粉尘增多。因此不合适的温 湿度都将严重影响作业工人的效率以及他们的身心健康，甚至很可能导致一些矿 井恶性事故的发生，给矿井的安全生产及其日常管理带来了极大的威胁。 ( 2 ) 瓦斯等可燃气体 瓦斯事故是矿山常见的重大灾害事故，尤其是煤矿生产中，它的发生对矿井 的破坏性大，伤害人员多，社会影响坏，现在一般的矿井都有专门瓦斯浓度传感 器。但现有瓦斯监测系统都是一个独立的子系统，联动性差，监测范围窄。 ( 3 ) 粉尘( 煤尘、矿尘等) 粉尘主要是矿山作业过程中产生，主要影响井下工作人员的身体健康，一般 通过控制温湿度和风速来降低粉尘含量。个体防护也是减少吸入人体粉尘的一项 补救措施。 ( 4 ) 风速、风压、负压 矿井通风是井下生产的一个重要环节，风速风压的有效控制直接影响了矿山 的安全生产，并间接地影响着温湿度、可燃气体、粉尘的含量，因此需要实时掌 握全矿井的主要通风环节，如主要通风机、局部扇风机等设备、设施状况，各主 要回风巷的风速数值，一旦出现通风状况异常，能够及时采取措施，避免通风事 故的发生和扩大。 7 硕士学位论文第二章系统总体架构设计 ( 5 ) 微震 岩体在破坏之前，必然持续一段时间以声波的形式释放积蓄的能型2 7 1 。矿床 开采活动在岩体中引起弹性变形和非弹性变形，在岩体中积蓄的弹性势能在非弹 性变形过程中以震动波的形式被逐步或突然释放出去，这种能量释放的强度，随 着结构临近失稳而变化，导致岩体内部发生微震事件。这种通过分析微震事件产 生的信号( 位置、震级等参数) 特征，推断开挖过程中的岩体状态和矿岩的力学 行为，估测矿岩是否发生破坏，以实现防止、控制或预测潜在的不稳定岩体，从 而避免危险事故【2 引。 ( 6 ) 矿工、车辆的定位 实时地记录矿工、车辆的位置信息，可以有效地组织生产和调度，并且一旦 发生矿难，可以马上有针对性地实施营救。一旦发生安全事故，可以知道事故区 域工作人员及其数量，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。另外可以对工 作人员进行实时考勤，不仅可以记录每一个工作人员的入井时间，出井时间，而 且可以绘制工作人员形迹路线图。还可以对进入危险区域的工作人员提出警告， 并根据形迹路线图监察巡检人员工作是否到位。 2 2 系统功能需求分析 矿山安全管理是一项复杂的系统工程，它是以环境、机械、设备、产品、原 材料以及相关的人和环境等综合系统为管理对象，最终的目的是保护人和生产资 料的安全【2 9 1 。本系统正是为了矿山的高效安全生产而设计，结合矿山生产过程的 实际需求和综合监测系统的一些基本功能，本系统应该具有以下几个功能： ( 1 ) 监测一些关键的环境参数，包括温湿度、可燃气体、有毒气体、矿尘、 微震、风压风速等环境参数。 ( 2 ) 监测机电设备的运行状态。包括工作电流、工作电压等参数。 ( 3 ) 监测矿工、车辆的运行轨迹。 ( 4 ) 监测井上变电所、中央变电所及采区变电所电网电压、负荷电流、功率、 电度等电量参数。 ( 5 ) 识别和分析其它相关的监测数据。对采集的二次数据，与专家信息库结 合，应用相关理论与算法对事件进行分析。 ( 6 ) 报警与预警，如瓦斯、温度、一氧化碳超限、电流超限等报警，对可能 发生的警情进行预警。 ( 7 ) 报警信息的显示与提示，如报警值、地点、报警时间、声音提示等。 ( 8 ) 根据警情，联动控制，保证最短时间内排除警源。 ( 9 ) 对上级部门发布数据，实现矿井的远程监测。 硕七学位论文第二章系统总体架构设计 2 3 系统设计原则 针对上述需求，考虑到矿井监测复杂、内容多、监测环境恶劣、监测周期长 等特点，系统研制应遵循以下原则： ( 1 ) 精确性 准确地反映出矿井安全状态及外部环境的变化，系统测量精度应满足一定的 要求。 ( 2 ) 实时性 实时性是指系统的各项处理与被监测对象变化速度的适应能力。这里强调的 是适应，而不是越快越好。为保证在矿井安全状态及外部环境出现异常时立即报 替，系统的测量、通信、处理速度应满足一定的要求。 ( 3 ) 可靠性 可靠性指系统在一定的条件下和一定的时间内完成预定功能的能力，包括硬 件可靠性和软件可靠性。系统可靠性是衡量系统质量的重要指标。当然系统的可 靠性既是设计、生产出来的，也是管理出来的。 ( 4 ) 易用性和可维护性 矿井设备安装非常麻烦，系统必修便于安装、使用和管理。可维护性是指系 统发生故障时维修难易程度的一种指标。矿井安全状态监测点一般处于存在淋 水、矿尘、有害气体的环境下，给系统维修带来一定的困难。因此，一方面要提 高系统的可靠性，少出故障，另一方面，要提高系统的可维性，如设计故障自诊 断功能、模块化结构，缩短维修时间【3 们。 ( 5 ) 安全性 安全性是指系统在正常工作或发生故障的情况下，不会对系统本身以及外界 事物带来危险或灾难性后果。在矿井安全监测中，由于系统长期处在具有潜在爆 炸性气体等环境下，一旦系统出现短路等现象而引起电火花，就会产生危险。因 此，安全性设计是监测系统设计的重要组成部分。 ( 6 ) 灵活性和可扩展性 灵活性是指系统可根据使用要求灵活配置的能力和与其它系统兼容的能力。 扩展性是指系统的规模、功能及处理能力等是否能够在运行后对其方便地添加和 升级。采用标准化、网络化、模块化、智能化设计，既可提高系统的可扩展性， 也可提高系统的可维性、可靠性。 ( 7 ) 先进性 系统的先进性是对系统以上指标的综合评价，需要先进的软硬件环境、先进 的设计技术、完善的设计和分析理论来保障。 9 硕士学位论文第二章系统总体架构设计 2 4z i g b e e 技术用于矿井监测的优势 z i g b e e 无线传感器网络显著的优点就是功耗低、网络配置灵活，稳定性强。 总的说来，z i g b e e 无线传感器网络的特点如下： ( 1 ) 低速率。z i g b e e 无线传感器网络的最大传输速率只有2 5 0 k b p s ，与其他 近距离无线通讯协议不同的是，z i g b e e 技术专注于低速率传输应用，如智能测 控、智能标记和智能电器等应用【3 l 】。 ( 2 ) 低功耗。由于技术的传输速率低，传输数据量小，因此收发时间短，并 且z i g b e e 无线传感器网络采用了休眠等多种节电的工作模式，可以确保两节五 号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间。 ( 3 ) 时延短。设备接入网络快。通常时延都在1 5 m s 到3 0 m s 之间，因此设备 接入网络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用。 ( 4 ) 组网方式灵活。z i g b e e 无线传感器网络无需人工干预，网络节点能够感 知其他节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络；网络增加或者删除一 个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络 拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作，并且 z i g b e e 网络可组成星状、树状、网状等拓扑结构【3 2 】。 ( 5 ) 可靠安全。采用c s m a c a 的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通 信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突：m a c 层采用了完全 确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此通 信可靠性高。z i g b e e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 a e s 1 2 8 ，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性【3 3 】。 ( 6 ) 网络容量大。在每一个信道上最大能存在6 5 5 3 6 个网络，而每一个网络 可以容纳最多可达6 5 5 3 6 个网络设备，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规 模无线传感器网络。 z i g b e e 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自 动化、农业自动化、军事领域和医用设备控制等【3 4 1 。根据z i g b e e 协议的特点， z i g b e e 无线传感器网络应用非常广泛，通常，符合如下条件之一的应用，就可 以考虑采用z i g b e 无线传感器网络： ( 1 ) 需要数据采集或监测的网络节点多，节电需要电池供电。 ( 2 ) 要求传输的数据量不大，而要求设备成本低。 ( 3 ) 要求数据传输可靠性高，安全性高。 ( 4 ) 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块。 ( 5 ) 地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖。 ( 6 ) 现有移动网络的覆盖盲区。 l o 硕十学位论文 第二章系统总体架构设计 ( 7 ) 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。 ( 8 ) 使用g p s 效果差或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。 因此，针对现有矿山监控系统中传感器接入不灵活、跟进不方便、价格贵等 固有缺点，把z i g b e e 无线传感器网络引用到矿井生产综合监测系统中非常实用， 利用z i g b e e 无线传感器网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易， 并且能保证整个采集网络可靠性高、采集范围广、布置方便。 2 5 系统总体设计 2 5 1 设计思路 系统结合z i g b e e 无线传感器网络和工业以太网，综合利用无线网络的灵活 性和光纤网的高速和稳定性，采取统一监测、综合分析的方法，实现对矿井生产 过程的综合监测，并且采用多网合一思路，实现一个平台，多个系统公用，保证 系统的扩展性。 l 专家知识 徽震技术 i i 壁垦卜 同 妙 臣乎 1 竺 徽震卜一 z i g b e e 止通信“地面数 ，- 、预警与决 恒 传感嘲络推理机 区乎 采集 、r 叫 传输h据库 、1一h策 1 丽一二丽 燃气体| - 。 i 一 宝 当 君 。 = 2 0 v oi l o d 。5 a n o r m a i z e da t t i = 2 5 0 c i 。5 o j ， ， l 5 o e j u n c t i o nt e m p e r a t u r e ( o c ) 图3 1 2l m 2 5 9 6 输出电压图 ，、 敞 、， u z u c r j k k u 3 al o a d 2 0 、， f ， 12 v7 y ， i s 3 v 厂。 l ， f 0s1 0i s2 a2 53 0 3 5 o i n p u tv o l t g ( v ) 图3 1 3l m 2 5 9 6 变换效率图 电路图参考图3 1 4 。首先对输入电源进行滤波退耦处理，并采用t v s 电路 和可恢复保险进行电路过压和过流保护，l m 2 5 9 6 电路中l 1 是一个大电感3 3 ph ，它对于输出电压的稳压有着很大的作用，电容耐压值为5 0 v ，d 2 为快速 恢复二极管。另外为了给控制芯片提供3 3 v 电压，采用芯片a s l l l 7 3 3 设计 一个输出电压为3 3 v 的稳压器。 讨射 一胁22 下啊甲爿 图3 1 4 电源模块电路图 3 0 虾 弘 砖 阳 ：2 硕十学位论文 第二章z i g b e e 数据采集网络节点硬件设计 3 4 4 以太网模块设计 a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 内部实际上已包含了e m a c 模块，e m a c 模块使用一个 地址检查器，统计与控制寄存器组，接收与传输部件以及一个d m a 接口实现 了一个与i e e e8 0 2 3 标准兼容的以太网m a c 。图3 1 5 是该模块的结构副5 4 1 。 j 下确利用内部的e m a c 模块可以节约硬件成本，并且降低以太网模块编程的难 度。 地 中：! 矗器 a p b 、瞧；焉 _ _ - _ _ _ - 寄存器接u 统计：0 “； ：；豺1 控棚面仔器组 d h l 4 接口 r x f i f 0t x o 咀人l q 板收 以太h 发送 a s b ：设备 图3 1 5e m a c 结构图 a t 9 1s a m 7 x 2 5 6 并未提供物理层接口，因此，需外接一片物理层芯片以提 供以太网的接入通道。本系统使用r t l 8 2 0 1 作为以太网的物理层接口芯片。 r t l 8 2 0 1 是r e a l t e k 公司推出的一种单端口网络物理层芯片。它的主要性能如 下：具有m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 媒质独立接口，可用于任何有以 太网m a c 并用双绞线连接的嵌入式系统；符合i e e e 8 0 2 3 标准，适合 1 0 0 b a s e t x 、1 0 b a s e t 和1 0 b a s e t n 传输，收发可同时达到l o m b p s 的速率， 使用c m o s 工艺制作以满足低压低功耗的需求，标准电流只需1 3 5 m a ，支持 休眠模式，7 个l e d 灯，用于指示连接状态和网络活动情况。它的主要功能包 括物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、1 0 b a s e t x 编码编 解码器和双绞线媒体访问单元等。该芯片可以简单方便地与a t 9 1 s a m 7 x 2 5 6 连接【5 5 】。物理信号的发送和接收端通过网络隔离变压器连接到用r j 4 5 上。整 个模块的电路图见图3 1 6 。 3 l 硕士学位论文 第二章z i g b e e 数据采集网络：宵点硬件设计 吾 “ 黛善牟0 0 1 鬻* u - 蔷 鼎 斗薪 癸一苗i 目l l 若；l n = r j 3 3 筒 鬻告一猫 警：o 茹。 黛鼻；一i h 三髯三车豢 二j = = 妊蠢。c 7 阽r = 1 = = 登嚣 1 l 掣1 1 - 雌麟z _ m “l 萄前忑 篡曼鼢j 鼎 曼o 。当聿：c i o ” 4 u f 三甚霉一 图3 1 6 网络模块电路图 3 4 5 外部存储模块设计 网关中需要存储一些网络参数比如：i p 地址、子网掩码和网关地址，另外 当网关通讯失败或者以太网出现短暂故障时，采集到的数据需要暂时存储在网 关中，当网络恢复时再重新上传，因此需要外部扩展存储空间，并且保证掉电 数据不丢失。本系统采用a t 2 4 c 0 2 做为外部扩展芯片进行设计。a t 2 4 c x x 系 列芯片是采用1 2 c 总线标准的常用串行e e p r o m 存储芯片，a t 2 4 c 0 2 是其中之 一，它具有2 k b 的存储容量，工作于从器件方式，页写的最大8 个字节，而且 此系列片内地址在接收到每一个数据字节后自动加1 ，故装载一页以内数据字 节时，只需输入首地址，如果写到此页的最后一个字节，主器件继续发送数据， 数据将从该页的首地址写入。该