摘要：為了解決礦井環境的實時監控問題，設計了以CC24430為控制核心的礦井安全監測系統，井下環境中的溫度、溫度、瓦斯氣體濃度的數據和礦工的生命體征數據由傳感器負責采集，并通過ZigBee協議構建樹簇型無線局域網并實現與上位機之間的通信。文章主要介紹了無線傳感網絡及數據采集與傳輸的軟硬件的設計。該設計方案解決了礦井安全監測傳感網絡的構建并能在意外發生時提供井下人員的位置及生命體征信息為救援工作提供參考。
關鍵詞：CC2430；ZigBee；礦井安監；無線傳感網絡

目前，實際應用中的礦下環境監測系統存在網絡布線難度大、可監控地點固定、事故發生后面網絡臨癱瘓危險等問題。近年來，隨著我國能源需求的日益增加，礦難事故的發生呈現上升趨勢，如何能夠高效低成本的實時監控礦下環境，并在礦難發生時給救援工作提供指導成為應用領域對安全監控系統提出的新需求。基于802．15．4協議的ZigBee技術具有低功耗、高網絡容量、高可靠性等優點，非常適合用于布置在井下作業環境中的無線傳感網絡。本文設計的基本思想是在井下復雜環境中利用傳感器和ZigBee模塊CC2430構成的便攜式或固定的終端，通過自組織方式構成無線傳感器網絡，將井下環境的檢測信號發送到井上安全監測中心，實現礦下環境的實時監控，并將數據自動上傳政府監管部門，當意外發生時可為救援工作及事故原因調查提供參考和指導。

1 ZigBee芯片CC2430
CC2430芯片是挪威chipcon公司提出的首個單芯片ZigBee SoC解決方案。該芯片內部具有CC2420RF接收器和增強性能的8051MCU、8KBRAM等部件，其增強型8051MCU內核的性能是標準8051內核性能的8倍。CC2430還具有直接存儲器定址(DMA)功能，擁有可編程看門狗定時器、32／64／128KB可編程閃存、AES-128安全協處理器、多達8輸入的8-14位ADC、USART、晶振為32 kHz的睡眠模式定時器、上電復位、掉電檢測電路(Brown Out Detection)、以及21個可編程I／O引腳等。可以被應用于所有ZigBee TM的無線網絡節點，包括協調器、路由器、設備終端。在接收和發射模式下，電流損耗分別小于27 mA或25 mA，并具有較短時間內從休眠模式轉換到主動模式的能力，其低功耗特性非常適合井下無線傳感網絡應用。
CC2430的主要特點如下：
1)高性能和低功耗的8051微控制器內核。
2)集成符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz的RF無線收發機。
3)優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力。
4)有工作和休眠雙模式，一般電池工作時間最長可達兩年。
5)網絡容量大，通過網絡協調器可擴展到支持64 000個ZigBee節點。
6)具有較高安全系數，采用三級安全保護，可根據需要靈活選擇安全屬性。

2 系統總體設計
該系統采用樹簇型網絡拓撲結構，系統包括一個網絡協調器(ZC)、一定數量的路由節點(ZR)及終端節點(ZED)。其中終端節點由ZigBee模塊、各種傳感器及報警器和電源組成，根據功能不同分為固定終端和移動終端。固定終端主要作為路由終端，為網絡提供路由服務；移動終端主要是由礦工佩戴的帶有環境安全監測傳感器和生命體征傳感器的穿戴式便攜式設備。

礦工佩戴的便攜式終端設備都擁有一個64的IEEE地址，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易的確認礦工身份。意外發生時，通過作為網關固定終端路由信息的最后記錄，就可以找到礦工具體位置，同時結合生命體征傳感器采集到的生理信息，便可為營救工作提供大量有用信息。

網絡協調器安裝在井上安全監控中心，主要負責建立網絡和管理網絡，并將當前井下傳感網絡收集到的井下安監數據通過串口與計算機相連，進一步通過網絡將信息傳輸到政府安全監督部門。這種實時同步的井下數據上傳模式，可大大減小由私營礦主主觀玩忽職守造成的安全隱患，對提高礦下安全監督管理水平有積極意義。

3 系統硬件設計
系統主要的硬件結構包括信號采集模塊、終端模塊、信號傳輸模塊。網絡節點均采用CC2430芯片作為硬件基礎。
3．1 信號采集模塊
信號的采集模塊的功能是采集井下的各種環境參數，通過CC2430的ZigBee射頻模塊發送給上位機。根據需要采集的信息選擇適合的傳感器，并進一步確定信號轉換及電源電路。礦井安全監測需要采集的數據包括以下幾種：瓦斯濃度、溫度、濕度。井下攜帶人員的生命體征信息如：體溫、脈搏。最后協調器將采集到的數據通過串口發送到上位機。
CC2430外部有20個通用I／O口，PO口的8個管腳可以直接連接外部模擬輸入，其內部有14位的A／D轉換器，可以實現各類數字傳感器的直接輸入和數據轉換需要。
溫濕度傳感器采用瑞士SHIRION公司的SHT10一體化溫／濕傳感器采集井下環境中的溫度和濕度。其供電電壓2．4 V～2．5 V，可直接以終端的電源供電，濕度測量精度±4．5％，溫度測量精度為±0．5℃，滿足井下數據采集精度需要。瓦斯傳感器采用鄭州煒盛電子所生產的催化燃燒式氣敏元件MJC4／2．8J，它的額定工作電流90 mA，額定工作電壓2．8 V。它的內部結構是由一個不帶催化劑元件的補償元件和一個帶催化劑傳感元件構成。其中催化元件可以與環境中的瓦斯氣體如甲烷、一氧化碳反應，引起溫度相對補償元件升高，導致電橋發生偏移。輸出的電壓模擬信號經過運算放大器TLC279MJ放大以后進入CC2430芯片內具有A／D轉換功能的P0口。

體溫傳感器采用Dallas公司生產的DS18B20，只要一條單線就能實現數據在控制器與其之間的傳輸，因而具有接口簡單的優點，檢測到的溫度信息最終以12位二進制的數字化讀數輸出，在環境溫度為30～40℃之間時，DS18B20的分辨率為0．1℃，平均誤差低于0．2℃，可以滿足設計需求。脈搏傳感器采用HKG-07A紅外脈搏傳感器，該傳感器是基于紅外檢測技術，通過檢測由于心臟收縮引起的體表末梢微血管的容積變化來獲取脈搏信號。比起早期常用的壓電薄膜法測量，該法具有不易受到肢體運動干擾的特點，且技術成熟，信號處理電路相對簡單。信號采集模塊硬件框圖如圖3所示。
3．2 協調器模塊
由于系統網絡終端節點均采用CC2430芯片作為硬件基礎，協調器節點及路由節點和終端節點設計差別不大，其功能主要是是連接無線傳感網絡硬件系統與上位機的接口，不同點在于終端節點需要添加傳感器及數據轉換電路，路由節點只需按圖1所示連接簡單的外圍設備即可。
3．3 信號傳輸模塊
這里的信號傳輸模塊主要是指協調器與上位機之間的信號傳輸，這主要是由于CC2430芯片的電平與上位機串口電平不相匹配導致的，這里采用FT232RL芯片實現串口電平轉換，并通過USB接口完成于上位機之間的串口通信。接入的兩個LED燈可通過閃爍來提示當前存在信號的輸入輸出，電路結構如圖4所示。

4 軟件設計流程
主控軟件需要完成的任務主要有：實現對整個系統的控制，對傳感器網絡收集到的數據進行處理，包括數據比對，存儲和上傳。對系統的控制主要包括控制ZigBee網絡開啟關閉設置參數及發送突發性命令。為方面使用對象操作系統提供兩種操作模式；監管模式和救援調查模式。監管模式下提供以下功能：1)數據處理功能：通過監測數據與內置的閾值數據的比較決定是否發出警報；如：對瓦斯濃度進行比對已決定是否要切斷電源；對一氧化碳濃度進行比對以決定是否要撤離人員；對空氣濕度進行比較已決定是否又發生透水事故的可能。2)數據存儲及上傳功能：對整個系統的數據進行自動備份，將監測數據自動上傳至安全監督部門。救援與調查模式主要是在礦難發生時，通過查詢記錄終端位置的固定路由信息和當前終端監測到的實時數據如：當前井下環境數據和終端佩戴者生命體征數據等，為救援工作提供指導。通過把安監數據的自動上傳到政府監督部門，即方便政府監管及問責也能為事故后救援提供指導。軟件設計流程圖如圖5所示。

5 結束語
文中在了解ZigBee技術相關特點的基礎上，以ZigBee模塊CC2430為硬件基礎，利用ZigBee協議進行無線組網，設計了一個基于無線傳感網絡的礦井安全監管系統。通過該系統用戶可以定量定性的對井下安全狀況作出評估，并且采用帶有報警功能的穿戴式終端節點，意外發生時可為救援工作及事故原因調查提供依據，可有效提高礦區安全生產監督管理水平。