摘要：为了处理矿井环境的实时监控问题，规划了以CC24430为操控中心的矿井安全监测体系，井下环境中的温度、温度、瓦斯气体浓度的数据和矿工的生命体征数据由传感器担任收集，并经过ZigBee协议构建树簇型无线局域网并完结与上位机之间的通讯。文章首要介绍了无线传感网络及数据收集与传输的软硬件的规划。该规划方案处理了矿井安全监测传感网络的构建并能在意外产生时供给井下人员的方位及生命体征信息为救援作业供给参阅。
关键词：CC2430；ZigBee；矿井安监；无线传感网络
现在，实践运用中的矿下环境监测体系存在网络布线难度大、可监控地址固定、事端产生后边网络临瘫痪风险等问题。近年来，跟着我国能源需求的日益增加，矿难事端的产生出现上升趋势，怎么能够高效低成本的实时监控矿下环境，并在矿难产生时给救援作业供给辅导成为运用领域对安全监控体系提出的新需求。根据802．15．4协议的ZigBee技能具有低功耗、高网络容量、高可靠性等长处，十分合适用于安置在井下作业环境中的无线传感网络。本文规划的基本思想是在井下杂乱环境中运用传感器和ZigBee模块CC2430构成的便携式或固定的终端，经过自组织方法构成无线传感器网络，将井下环境的检测信号发送到井上安全监测中心，完结矿下环境的实时监控，并将数据主动上传政府监管部分，当意外产生时可为救援作业及事端原因查询供给参阅和辅导。
1 ZigBee芯片CC2430
CC2430芯片是挪威chipcon公司提出的首个单芯片ZigBee SoC处理方案。该芯片内部具有CC2420RF接纳器和增强功用的8051MCU、8KBRAM等部件，其增强型8051MCU内核的功用是规范8051内核功用的8倍。CC2430还具有直接存储器定址(DMA)功用，具有可编程看门狗定时器、32／64／128KB可编程闪存、AES-128安全协处理器、多达8输入的8-14位ADC、USART、晶振为32 kHz的睡觉形式定时器、上电复位、掉电检测电路(Brown Out Detection)、以及21个可编程I／O引脚等。能够被运用于一切ZigBee TM的无线网络节点，包含和谐器、路由器、设备终端。在接纳和发射形式下，电流损耗别离小于27 mA或25 mA，并具有较短时间内从休眠形式转化到主动形式的才能，其低功耗特性十分合适井下无线传感网络运用。
CC2430的首要特色如下：
1)高功用和低功耗的8051微操控器内核。
2)集成契合IEEE802．15．4规范的2．4 GHz的RF无线收发机。
3)优秀的无线接纳灵敏度和强壮的抗搅扰才能。
4)有作业和休眠双形式，一般电池作业时间最长可达两年。
5)网络容量大，经过网络和谐器可扩展到支撑64 000个ZigBee节点。
6)具有较高安全系数，选用三级安全维护，可根据需求灵敏挑选安全特色。
2 体系总体规划
该体系选用树簇型网络拓扑结构，体系包含一个网络和谐器(ZC)、必定数量的路由节点(ZR)及终端节点(ZED)。其间终端节点由ZigBee模块、各种传感器及报警器和电源组成，根据功用不同分为固定终端和移动终端。固定终端首要作为路由终端，为网络供给路由服务；移动终端首要是由矿工佩带的带有环境安全监测传感器和生命体征传感器的穿戴式便携式设备。
矿工佩带的便携式终端设备都具有一个64的IEEE地址，这样只需记载下终端地址就能够很简略的承认矿工身份。意外产生时，经过作为网关固定终端路由信息的终究记载，就能够找到矿工具体方位，一起结合生命体征传感器收集到的生理信息，便可为解救作业供给很多有用信息。
网络和谐器装置在井上安全监控中心，首要担任树立网络和办理网络，并将当时井下传感网络收集到的井下安监数据经过串口与计算机相连，进一步经过网络将信息传输到政府安全监督部分。这种实时同步的井下数据上传形式，可大大减小由私营矿主片面玩忽职守形成的安全隐患，对进步矿下安全监督办理水平有积极意义。
3 体系硬件规划
体系首要的硬件结构包含信号收集模块、终端模块、信号传输模块。网络节点均选用CC2430芯片作为硬件根底。
3．1 信号收集模块
信号的收集模块的功用是收集井下的各种环境参数，经过CC2430的ZigBee射频模块发送给上位机。根据需求收集的信息挑选合适的传感器，并进一步确认信号转化及电源电路。矿井安全监测需求收集的数据包含以下几种：瓦斯浓度、温度、湿度。井下带着人员的生命体征信息如：体温、脉息。终究和谐器将收集到的数据经过串口发送到上位机。
CC2430外部有20个通用I／O口，PO口的8个管脚能够直接衔接外部模仿输入，其内部有14位的A／D转化器，能够完结各类数字传感器的直接输入和数据转化需求。
温湿度传感器选用瑞士SHIRION公司的SHT10一体化温／湿传感器收集井下环境中的温度和湿度。其供电电压2．4 V～2．5 V，可直接以终端的电源供电，湿度丈量精度±4．5％，温度丈量精度为±0．5℃，满意井下数据收集精度需求。瓦斯传感器选用郑州炜盛电子所出产的催化焚烧式气敏元件MJC4／2．8J，它的额外作业电流90 mA，额外作业电压2．8 V。它的内部结构是由一个不带催化剂元件的补偿元件和一个带催化剂传感元件构成。其间催化元件能够与环境中的瓦斯气体如甲烷、一氧化碳反响，引起温度相对补偿元件升高，导致电桥产生偏移。输出的电压模仿信号经过运算扩大器TLC279MJ扩大今后进入CC2430芯片内具有A／D转化功用的P0口。
体温传感器选用Dallas公司出产的DS18B20，只需一条单线就能完结数据在操控器与其之间的传输，因此具有接口简略的长处，检测到的温度信息终究以12位二进制的数字化读数输出，在环境温度为30～40℃之间时，DS18B20的分辨率为0．1℃，平均误差低于0．2℃，能够满意规划需求。脉息传感器选用HKG-07A红外脉息传感器，该传感器是根据红外检测技能，经过检测因为心脏缩短引起的体表末梢微血管的容积改变来获取脉息信号。比起前期常用的压电薄膜法丈量，该法具有不易遭到肢体运动搅扰的特色，且技能老练，信号处理电路相对简略。信号收集模块硬件框图如图3所示。
3．2 和谐器模块
因为体系网络终端节点均选用CC2430芯片作为硬件根底，和谐器节点及路由节点和终端节点规划不同不大，其功用首要是是衔接无线传感网络硬件体系与上位机的接口，不同点在于终端节点需求增加传感器及数据转化电路，路由节点只需按图1所示衔接简略的外围设备即可。
3．3 信号传输模块
这儿的信号传输模块首要是指和谐器与上位机之间的信号传输，这首要是因为CC2430芯片的电平与上位机串口电平不相匹配导致的，这儿选用FT232RL芯片完结串口电平转化，并经过USB接口完结于上位机之间的串口通讯。接入的两个LED灯可经过闪耀来提示当时存在信号的输入输出，电路结构如图4所示。
4 软件规划流程
主控软件需求完结的使命首要有：完结对整个体系的操控，对传感器网络收集到的数据进行处理，包含数据比对，存储和上传。对体系的操控首要包含操控ZigBee网络敞开封闭设置参数及发送突发性指令。为方面运用目标操作体系供给两种操作形式；监管形式和救援查询形式。监管形式下供给以下功用：1)数据处理功用：经过监测数据与内置的阈值数据的比较决议是否宣布警报；如：对瓦斯浓度进行比对已决议是否要堵截电源；对一氧化碳浓度进行比对以决议是否要撤离人员；对空气湿度进行比较已决议是否又产生透水事端的或许。2)数据存储及上传功用：对整个体系的数据进行主动备份，将监测数据主动上传至安全监督部分。救援与查询形式首要是在矿难产生时，经过查询记载终端方位的固定路由信息和当时终端监测到的实时数据如：当时井下环境数据和终端佩带者生命体征数据等，为救援作业供给辅导。经过把安监数据的主动上传到政府监督部分，即便利政府监管及问责也能为事端后救援供给辅导。软件规划流程图如图5所示。
5 结束语
文中在了解ZigBee技能相关特色的根底上，以ZigBee模块CC2430为硬件根底，运用ZigBee协议进行无线组网，规划了一个根据无线传感网络的矿井安全监管体系。经过该体系用户能够定量定性的对井下安全情况作出评价，而且选用带有报警功用的穿戴式终端节点，意外产生时可为救援作业及事端原因查询供给根据，可有用进步矿区安全出产监督办理水平。
