【基于ZigBee的煤矿安全控制系统设计与实现10000字（论文）】

基于ZigBee的煤矿安全控制系统设计与实现目前煤矿行业仍然是国家能源的主要来源之一，是经济发展的基础，更是国家经于ZigBee无线传感网络技术对煤矿安全监测系统的软硬件进行了设计与研究。通过利实现地上控制系统对地下环境数据接收的时效性，将地下系统的数据及时传送至地上网络监控系统中，并且保障井下工作人员生命安全，提高井下生产环境安全系数起到 1 1 11.2.1地上部分 1 2 2 2 3 3 4 4 4 4 5Ⅱ 52ZigBee技术简介 62.1ZigBee技术概述 62.2ZigBee协议介绍 72.3ZigBee在无线监控领域的优势 7 93煤矿安全控制系统硬件设计 3.1煤矿安全控制系统硬件设计 93.2主要模块介绍 3.2.1cc2530无线模块 93.2.2AMS1117模块 3.2.3MQ甲烷传感器 3.2.4继电器模块 1 3.3参考节点的硬件结构设计 3.4终端节点的硬件结构设计 4煤矿安全控制系统软件设计 4.1ZigBee节点软件设计 4.2MQ甲烷传感器软件设计 4.3参考节点程序设计 4.4终端节点程序设计 5.1系统的实现过程 5.2本章小结 6总结与展望 2参考文献 现如今我国的安全监测控制系统步入了自动化和智能化，当下的无线通信技术能对井下环境进行实时的数据收集和监控，并且，通过制定的程序可以对发生的事进行作环境之一，纵观工业革命以来，井下作业人员失联的事件数不胜数。因此，完善井下工作系统，调整井下安全监控系统，实现监控系统的实时性，保障工作人员的生命安全是刻不容缓的。不断改进地下与地上的信息联通，掌握井下的环境状况，提高生产效率，本文通过研究地下与地上的信号的传输效率，完成对井下安全控制系统的优本设计通过两个模块实现矿井系统的整体结构，有两个电源供电模块，两个稳压为核心，连接控制模块中的蜂鸣器和继电器。其总体结构如图1-1所示：电源供电模块继电器蜂鸣器甲烷浓度显示继电器蜂鸣器1.2.1地上部分地上部分主要是监控系统，通过节点接受和发送数据。完成与本地网络和节点的连接。监控系统界面从下面的位置节点获取信息。从节点发出数据包后，监控面板对2数据进行处理，并且将其放到监控网络上，利用监控网络提取各种数据包，对信息进行分析和处理，在计算机视图中以图形的形式显示出来，设置和备份有用信息。由于数据可能会损坏，监控命令将发送到底部按钮，已完成对设备的控制。监控系统使用调制和解调的信息处理手段把接收的数据通过3G网络传输，可以让有信号的区域就能够传输控制信号，从而实现远程控制↓。地下部分主要是ZigBee节点连接起来的无线网络系统，组成的网络为网状网，其优点就是所有的节点都能够互相联系，互相通信。并且，当有空闲的节点时，还可以作为中继路由设备，虽然接受到的信号很微弱，但是它可以将此信号放大然后再发射出去，每个网络节点都有一个唯一的硬件地址，监控系统实现与某一个节点进行点对点的通信。地面监控系统在光缆线路与地下通讯设备相连。以光缆为基础，光缆与每列的参考按钮相结合，因此每个参考节点之间没有连接。参考节点在整个系统中充当网关的作用，其主要作用是：对其他参考节点传输的数据进行汇总，然后通过处理发送至地面控制终端。最后把控制命令发送到每个终端节点，了解地下设备的控制功能。现下井下监测系统普遍采用的通信方式有：超低频透地通信、中频感应通信和VHF漏泄通信等。每个通信方式都有其自身的特点和适用范围，通过分析主要的三种通信方式，比较个方式的优缺点，可以更好的了解矿井安全控制系统的技术13。以下将具体分析超低频透地通信、中频感应通信和漏泄通信。1.3.1超低频透地通信超低频透地通信是以地壳为媒介，无线电波穿透地壳到达地面的通讯方式。当前主要研究采用低频电磁波实现透地通信[41。目前常用的透地通讯系统为PED(井下无线通讯与急救系统),其传输系统组成图如图1-2所示：机最多可以有4台超低频发射机与调制此系统的特点可辐射出超低频的电磁信号，该频率的电磁信号可以穿透地表岩层，与地下超过1800英尺的位置区域进行通信。适用于可靠的数据传输系统，因为不受噪声和岩层的困扰，拥有自我调节能力。井下无线通讯与急救系统使用的时TDMA技术，同时可与三个终端设备进行信息传输，信道可以自适应并且终端也可以充当中继设备。1.3.2中频感应通信中频感应系统通过感应线或者是利用感应场引导电磁波进行通信，再者也可以利用巷道内已经有的电缆或者管道进行通信。当信号频率低时，传输线损耗越小的情况下其传输距离就越大，但是这种情况下，系统容易受到动力源的干扰。移动台做成异频双工来实现互相通信，可是这样的通信就需要四个频段：移动台的接受频率，发射频率，传输线的工作频率和移动台到基站的频率。矿井中频感应系统的传输原理如图1-3所示：f4接入中继器1接出中继器2接出中继器1移动台的接受频率为f1,发射频率为f2,传输线的工作频率为f3,移动台到基站的频率为f4。前两者选择较高的频率，后两者选择较低的频率，其信道的带宽为25kHZ。1.3.3VHF漏泄通信矿井漏泄系统是用于解决空间有限的通信问题的一种新技术，主要是利用VHF甚高频技术，借助井下巷道内的同轴漏泄电缆完成与工作人员之间的互相通信，利用甚高频解决井下环境中强电磁的干扰。VHF通信系统由三部分组成：收发机、控制终端和天线。收发机给系统提供稳定的基准频率，信号通过调制到载波后，利用天线发射出去。4我国大力整治煤矿业，其安全监察机构发放安全许可证，并且，这近年来煤炭价格呈上升趋势。即使系统厂家经过矿用产品安全标志办公室审查获得了煤矿安全标志证书，但还是有不少厂家的产品不符合要求：性能低，质量不过关。导致设备传输错误信息，地面不能及时获得井下境况，这就使地下工作人员面临严重的安全隐患。再者，不少装备系统的矿井只是对甲烷浓度进行检测，然而对馈电监测、局部通风机开术，无线传输等主要技术。近年来煤矿专业学生屈指可数，加上上世纪90年代末煤矿效益差，大量人才流失，导致井下作业的专业人才缺乏，所以当下从事井下作业的工最主要的就是要提高作业的时效性，很多煤矿事故都是因为没有明确的处理好监控信用一段时间后，催化元件和电子元件会发生老化，同时元件以及精确度都有可能发生变化6。线也是普通阻燃电缆。对于井下不设变压器供电的乡镇煤矿，系统遭雷击的可能性很1.4.1超低频透地通信在无线通信的信号传输过程中存在严重的信号衰减，所以将频的区域就是为了让通信的可靠性有所保障。但是超低频通信只矿井的环境是非常特殊的，空间狭小并且结构复杂，大量的对超低频信号会出现很强的电磁干扰，这就很容易造成通讯信号1.4.2中频感应通信中频感应通信的应用范围不超过2km,因为在小范围的区域进行感应通信时，拥有良好的信号性能，但是若接受设备与感应物距离相距很远时，信道的性能就没有理VHF漏泄通信最大的特点就是需要中继器，并且要求的数量也是很庞大的，虽然漏泄通信采用了多路复合的技术，可每个信道的信号都是相对稳定的，因此对于矿井5本文介绍了一种基于ZigBee技术的矿井安全控制系统，通过甲烷监测模块来获取外界环境的气体信息，实现对甲烷浓度超标做出反应的无线传输控制。本文研究ZigBee第一章介绍了煤矿安全控制系统的背景和意义，以及把整个系统分为两个部分分别是地上和地下部分，然后分析现行井下安全控制系统的主要无线通信技术以及它们的特点和存在的不足。第二章主要介绍了ZigBee技术的特点，简明的介绍了ZigBee协议栈的结构，以及在无线监控领域的优势。第三章从整个系统的硬件出发，对主要的模块进行了介绍，表明各个模块的作用和工作原理，着重介绍无线网络通信系统模块cc2530芯片的功能和特点。然后分析硬件结构框图和电路原理图。第四章介绍了系统的软件部分，作出ZigBee节点功能实现的流程图，以及传感器和协调器启动流程。第五章突出了整个系统的实现过程和结果。第六章对本文进行简单的总结以及对ZigBee技术的展望。本章主要分析了如今矿井生产的安全问题，包括课题的研究背景。同时介绍矿井安全控制系统的总体结构以及井下安全控制系统的主要应用技术，着重分析超低频透地通信、中频感应通信和漏泄通信的特点，最后分析当今煤矿安全监控系统的主要应用技术存在的不足。62ZigBee技术简介ZigBee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术，Zig“HomeRFLite”和“FireFly”技术，统一称为ZigBee技术7。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBeeCDMA和GSM网络。ZigBee传输模块类似于到几百米、几公里，并且支持无限扩展8。ZigBee是一个无线传输网络平台，由多达65535个无线传输模块组成。在整个网化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特ZigBee技术所具有的特点：(2)短时延：休眠或者激活时间延迟是非常短的，甚至是通信的时间延迟，可以(3)网络结构灵活并且容量大：不仅支持单跳的数据传世方式，而且也支持通过(4)数据传输安全性高：采用CSMA-CA避免信道争抢冲突，为了提高灵活性并且可以在MCU上运行，ZigBee设置三种安全模式。(5)低功耗：ZigBee芯片的传输速率很低，同时发射功率非常低，所以系统的功ZigBee技术的组网方式如图2-1所示树状型星状型树状型星状型网状型完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应(1)物理层：作为ZigBee协议结构的最低层，提供了最基础的服务，为上一层MAC层提供了服务，如数据的接口等等。同时也起到了与现实(物理)世界交互的作(2)MAC层：负责不同设备之间无线数据链路的建立，维护，结束，确认的数(3)网络层：保证了数据的传输和完整性，同时可对数据进行加密；(4)应用支持层：在组网的设备之间进行信息传输；ZigBee协议栈结构如图2-2所示：应用软件应用软件应用层规范API网络层数据链路层DLL介质存取层MAC物理层PHY用户代码2.3ZigBee在无线监控领域的优势在实现物联网的短距无线通讯技术里面，蓝牙、Wi-Fi、ZigBee是目前应8广泛的三种短距无线通讯技术。本文将详细介绍并分析这三种物联网通讯技术的优缺(1)蓝牙技术蓝牙技术可以说是后起之秀，备受业界青睐的近距离无线连接技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，蓝牙以低成本的短距离无线连接为基础，可为蓝牙的实质内容是将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互连接通信或功能性操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，提供最高24Mbps的传输速率和300m(2)Wi-Fi技术技术要差一些，但在普通用户的覆盖范围方面却略胜一筹，因为wifi无线通信技术可WLAN在未来的应用方向主要在家庭无线网络和SOHO以及不便安装电缆的建筑(3)ZigBee技术它所具有的优势是可以比蓝牙更好地支持消费电子、游戏、仪器和家庭楼宇自动化应用。人们将ZigBee技术用于传感器网络、工业监控、家庭监控、安全系统和玩具等领表2-1蓝牙、蓝牙覆盖范围功耗低高低设备连接能力7安全性高低高费用低高低92.4本章小结本章主要介绍了ZigBee技术的概念以及它的工作原理，分析ZigBee技术的协议栈，了解其应用层、网络层、数据链路层和物理层的功能，然后主要的无线传输技术来得出ZigBee技术是目前最有优势的一种无线传输技术。3煤矿安全控制系统硬件设计名称功能继电器甲烷浓度显示器2网络连接节点2模块供电1甲烷浓度检1甲烷浓度显3.2主要模块介绍CC2530是在2.4GHZ频段推出的第二代支持IEEE802.15.4/ZigBee的片上系统芯片，结合了高性能的2.4GHZ直接序列扩频和工业8051MCU微控制器，适合搭建功能健全、价格低廉的网络节点，具有优良的无线接收灵敏度以及抗干扰性能13。本文采板插座图，如图3-1所示：GND本设计使用两个CC2530节点，一个作为协调器节点，另一个作为甲烷信息采集调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。是一款正电压输出低压差的三段线性稳压电路，在输出1A电流时，输入输出的电压差典型值为1.8V。该芯片内部集成过热保护和限流电路，确保芯片和电源系统的稳定性。具有限流功能、过热DDR3.2.3MQ甲烷传感器通常催化元件通常用作检测元件，经多级放大器电流放大后，产生输出信号，送入单片机模数转换输入端，将模拟信号转换成数字信号，由单片机进行处理，了解显示和报警功能。MQ测试电路如图3-4所示。煤矿安全控制系统硬件设计图3-3MQ测试电路MQ甲烷传感器对气体的灵敏度高，可以监测多种可燃性气体，更是一款适合多种应用的成本低的传感器，其敏感特性曲线如下图3-4所示：11酒精图3-4敏感特性曲线3.2.4继电器模块系统反馈模块是继电器的一个类似部件，具有许多优点。继电器是一种具有绝缘功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通信、自动控制、机电一体化和电子设备中，是最重要的控制装置之一。并且可以反映某些输入变量，因为有一个驱动器 有一个中间机构(先导部分),可以连接和隔离输入、处理功能和控制输出部分16。其电路图如图3-5所示：病为了实现地下与地上两个部分的互联，本设计采用WiFi无线局域网，在手机端显示甲烷浓度，完成无线传输功能。WiFi模块电路原理如图3-6所示：参考节点的目的相当于一个网关设备，其位置是不变的，是无线通信网络中的一种静态节点。参考节点将ZigBee无线通信网与有线网络相互连接17]。具有三种功能：第一创建一个无线网络，第二无线通信网与有线网络之间的信息传输，第三对可移动节点实现定位。终端节点设置在距离传感器比较近的地方，数据传输线路由双绞线完成，因为双绞线的抗干扰能力强，在近距离信息传输过程中可以为信号不受干扰提供保障[181。一个独立的终端节点主要有三部分：传感器，信号变送调理器和控制器。传感器是将物理信号转变成电平信号，而信号调理器是将这些信号通过放大或者是转变为数字信号，控制器由一个MCU完成，其工作任务是对数据的发送和执行监控终端发出的控制命终端节点可以实现监控功能和控制功能：监控功能就是能够周期性的启动传感器收集检测到的数据，本设计提供的是MQ气体传感器，终端节点收集传感器检测到的甲烷浓度，然后将接收到的数据发送出去。控制功能表现在监控终端根据接收到的检测结果，启动或者暂停一些设备，这就需要控制命令的接收和执行。3.5本章小结本章主要介绍井下无线监控系统的主要硬件模块，说明cc2530芯片和继电器的特性，ams1117稳压器的工作原理，使输入电压的大小不影响系统的正常供电，然后对MQ甲烷传感器进行分析和检测，总结出传感器的敏感特性。4煤矿安全控制系统软件设计通常传感器的监测工作状态为实时状态，采集的数据为沿时间轴连续的模拟信号，这些信号如果都经过ZigBee网络向监控主机进行传输，必然会导致网络传输数据增多，网络传输压力过大191。因此，ZigBee节点周期性的向传感器发出启动监测的信号，获取传感器某一时刻的监测数据进行传输，使得网络传输量减小。ZigBee节点发出信号，传感器就会从休眠状态被唤醒，然后进入工作状态120。ZigBee节点监测启动若是不成功，则继续发送启动信号。传感器进入工作状态后ZigBee节点发出测量命令，传感器开始测量数据，测量结束后出传输至节点。定位节点启动传感器的工作流程如图4-1所示否是否是4.2MQ甲烷传感器软件设计传感器首先进入初始化，等待启动信号，启动进入工作状态后等待测试命令，将煤矿安全控制系统软件设计监控到的当前数值发送给协调器，在发送的过程中进行判断，发送是否成功，如果监是否是否图4-2传感器启动流程图空闲时，参考节点处于监听状态，然后与参考节点进行信息交流时必须发送连接请求，是否应答在于参考节点的状态，当参考节点处于空闲状态时回复连接建立的应答，其他节点收到应答之后就像参考节点传输数据。接收成功后，参考节点确认信息。接收节点向参考节点传送校验字段，参考节点根据该校验字段进行判断。数据传送成功，参考节点发送接受完成并确认信息，如果数据在通信过程中有损坏，参考节点就会被迫断开连接，在确认断开后，重新进入网络监听状态。其接收检测数据流程图如图4-3所示：无线监控状态无线监控状态收到连接请求否是否应答请求是回复连接建立应答接收数据发送接受完成确认信息接受节点应答是判断是否完成数据接收否发送强制判断指令确认连接断开发送确认信息请求断开连接煤矿安全控制系统软件设计首先协调器等待监听命令，接收广播信号，其中协调器是以广播形式使传感器节点加入网络的。然后协调器等待传感器节点的应答，若没有应答，则继续无线监听，直到完成应答，连接建立网络，并且当收到控制命令时查找到继电器设备和蜂鸣器设备，执行蜂鸣器报警，同时继电器断电的控制命令。终端节点接受并执行控制命令流程图如图4-4所示：是否图4-4终端节点接受并执行控制命令流程图4.5本章小结本章主要介绍井下安全控制系统的软件设计，介绍ZigBee节点的工作原理，MQ传感器的启动流程以及协调器接受并执行控制命令的过程，通过流程图完成对硬件内部工作原理的可以更清晰成熟的了解设备的作用。5系统实现过程设计首先，通过USB线连接各个模块的电源供电模块，可以使用民用电，也可以使用能够起电源供电作用的电子设备。正常通电之后然后再进行下一步操作。整个系统供电正常如下图5-1所示：此时，ZigBee组网成功，继电器处于断开的状态，甲烷浓度显示屏显示的数据为26,蜂鸣器处于休眠状态。该ZigBee节点作为终端节点完成甲烷浓度的数据采集。甲烷浓度显示结果图如图5-2所示：然后，通过传感器提高甲烷的浓度，当阈值达到35以上时，ZigBee节点将启动报警系统和反馈系统。系统完成报警和反馈工作结果如图5-3所示：此时甲烷浓度显示器显示的数值为36,满足报警标准，蜂鸣器启动，继电器打开，并且继电器上的LED等亮。ZigBee节点作为参考节点完成了信息的传输和网络的控制作用。甲烷浓度显示结果如图5-4所示：最后，系统也可以通过上位机显示数据，实现地下系统与地上系统互联。手机APP显示数据界面如图5-5所示：断开退出5.2本章小结本章实现了整个系统的工作过程，首先将整个系统供电，通过ams1117芯片实现系统供电稳定，然后满足传感器工作环境，当甲烷浓度超出阈值，启动蜂鸣器报警系统，同时继电器作为反馈模块，由起初的断开的状态到闭合的状态，并且LED灯亮，整个系统功能完成任务。ZigBee节点通过WiFi模块实现上位机数据显示，满足了地上与地下信息的联通。本文通过满足煤矿安全控制系统的需求设计了一个基于ZigBee技术的控制系统。起初，通过查阅资料和相关的文献分析了煤矿环境的复杂性，以如今井下通信系统的设备连接方式为导线，分析通信系统的漏洞。以上表明了本文的研究背景和研究的结果，选择频率为2.4GHZ的ZigBee通信技术，再此之前，重点分析了。矿井环境的特殊性对各种设备信号的干扰，设备的使用寿命以及设备的灵敏度再者，本文对ZigBee技术也进行了详细的介绍，对ZigBee协议栈也进行了介绍，另外，介绍本设计用到的各种模块，分析其工作原理和特性，选择出最优的硬件