ZigBee无线传感器网络在煤矿中的应用

邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新嵌入式网络技术应用《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络在煤矿中的应用ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＺｉｇＢｅｅ－ｂａｓｅｄＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｉｎＣｏａｌＭｉｎｅ（１．山东大学；２．北京鑫诺金电子科技发展有限公司）魏书芳１孙同景１孙波１郭源生２ＷＥＩＳＨＵＦＡＮＧＳＵＮＴＯＮＧＪＩＮＧＳＵＮＢＯＧＵＯＹＵＡＮＳＨＥＮＧ摘要：根据煤矿地形特点和矿井分布情况，提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络在煤矿安全系统的应用方案。

该方案设计的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络由传感器节点、汇节点和网络协调器组成，负责煤矿各种安全指标信息的采集和传输。

主要介绍了该方案中ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的网络结构、传感器节点的硬件结构和ＺｉｇＢｅｅ模块的软件通信流程。

ＺｉｇＢｅｅ技术在该方案中的应用实现了煤矿安全系统的低功耗、低成本，并具有高度的灵活性和可扩展性。

关键词：ＺｉｇＢｅｅ；无线传感器网络；传感器节点中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｃｏａｌｍｉｎｅａｎｄｉｔｓｇａｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ａｓｃｈｅｍｅｖｉａＺｉｇＢｅｅ－ｂａｓｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｗｈｉｃｈｗａｓａｐｐｌｉｅｄｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｓａｆｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｓｃｈｅｍｅ，ＺｉｇＢｅｅ－ｂａｓｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｅｄｏｆｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｓ，ｄａｔａｓｉｎｋｓａｎｄｏｎｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ，ｒｅａｌｉｚｅｄｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｓａｆｅｉｎｄｅｘｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｇａｔｈｅｒｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇｉｎｃｏａｌ．Ｉｎｔｒｏ－ｄｕｃｅｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＺｉｇＢｅｅ－ｂａｓｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏ－ｃｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎｅａｃｈｔｗｏＺｉｇＢｅｅｍｏｄｕｌｅｓｉｎｄｅｔａｉｌ．ＤｕｅｔｏｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＺｉｇＢｅｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｏａｌｓａｆｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌｏｗｃｏｓｔ，ｈｉｇｈｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ，ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ，ｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅ文章编号：１００８－０５７０（２００７）１１－２－００６５－０３引言在我国煤矿安全事故中，由于矿井内温度过高，压力过大，通风不良等原因可能造成可燃气体爆炸或有毒有害气体中毒等事故，这些事故成为实现安全生产的最大障碍。

因此，及时准确地检测矿井内的温度、压力、可燃气体和有毒有害气体含量，在煤矿安全生产中具有重要意义。

当煤矿地面监管中心的测控主机距离矿井很远，井上部分总线铺设的距离会很大，硬件投入成本、运行成本和维护成本都会很高。

如果井下传感器的分布比较分散，适合多条总线从不同出口上传到地面，再由这些位置连接到煤矿相关部门服务器上时，布线量就会成倍增加，各类成本也会成倍增加。

而基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络具有结构简单，体积小，功耗低，成本低的特点。

由此可以看出，开发设计一种基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络可以灵活在煤矿井下布置传感器节点，直接或者间接通过汇节点集中传送矿井内的各种安全指标信息到网络协调器，再由网络协调器经数据传输网络上传到地面监管控制中心，能够大大节省了井上的总线铺设，降低硬件投入成本。

本系统设计的无线传感器网络工作在２．４ＧＨｚ全球通用的（ＩＳＭ，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄＭｅｄｉｃａｌ）免付费频段上，划分为１６个信道，在该频段上，数据传输速率为２５０Ｋｂｐｓ。

１ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的网络结构基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络支持三种通信设备的拓扑结构，即星型、网状型和簇树型。

由于矿井分布广泛，位置分散，距离较远，网络覆盖面积大，以及传感器节点和汇节点通信量较小的特点，采用各传感器节点定时传送数据的网状型网络拓扑结构。

该结构检测可靠性高，它通过无线网络连接可提供多个数据通信通道，即它是一个高级别的冗余性网络，一旦设备数据通信发生故障，即存在另一个路径可提供数据通信。

ＺｉｇＢｅｅ技术将节点从器件上分为两类：１、全功能器件（ＦＦＤ，ＦｕｌｌＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ），它拥有足够的存储空间来存放路由信息并且处理能力也相应增强；２、简化功能器件（ＲＦＤ，ＲｅｄｕｃｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ），它内存较小，功耗低。

因此在无线传感器网络的设计中，网络协调器和汇节点均采用ＦＦＤ，传感器节点采用ＲＦＤ，有利于降低系统整体功耗。

在该网络结构中，为了区分不同的设备，给每个设备分配一个ＩＤ地址。

采用１６位短地址，由网络协调器统一给设备分配网内局部地址，依次给各设备设定不同的唤醒时间，防止多个设备同时唤醒向网络协调器发送数据信息而发生冲突，造成数据丢失。

按照设定的时间，对传感器节点实行定时供电，相应的节点自动唤醒，主动与相邻的汇节点连接，上报该节点采集的数据。

由于矿井内的各种安全指标是渐变的，设定的时间可以满足实际的要求。

否则传感器节点工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，以节省传感器节点的功耗并拒绝非法的连接请求，大大降低了接入网络协调器时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络的容量。

传感器节点与汇节点以及网络协调器之间，汇节点与网络协调器之间均通过ＺｉｇＢｅｅ技术实现信息的无线交换。

分布在传感器网络中汇节点与传感器节点硬件结构相同，而内部增加了转发协议，在功能上既要采集信息，又在信息传输的过程中起到中继转发的作用。

网络协调器负责整个网络信息的转发工作，与汇节点相比需要更大的存储容量。

２ＺｉｇＢｅｅ传感器节点的硬件设计２．１ＺｉｇＢｅｅ传感器节点的结构传感器节点基本结构包括以下几个功能单元：传感单元、魏书芳：在读硕士研究生基金项目：高性能网络化智能传感器（０３１０８０１３４）６５－－技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第１１－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》嵌入式网络技术应用信号调理电路、ＺｉｇＢｅｅ模块（包括微控制器ＭＣＵ和射频模块ＭＣ１３１９３）、存储器、定时器和电源管理模块，如图３所示。

图１ＺｉｇＢｅｅ无线传感器节点内部结构无线射频收发芯片采用飞思卡尔公司的ＭＣ１３１９３。

它是该公司开发ＺｉｇＢｅｅ平台专用的发射和接收芯片，频率范围为２．４００～２．４８３５ＧＨｚ，调制方式为Ｏ－ＱＰＳＫ，数据速率达２５０ｋｂｐｓ，芯片速率达２Ｍｃｈｉｐｓ／ｓ，灵敏度可达－９２ｄｂｍ。

本系统采用的频率为２．４ＧＨｚ。

ＭＣＵ采用飞思卡尔公司的８位机ＭＣ９Ｓ０８系列，主要是因为它的功耗低，而性能高。

针对本系统的特点，可以采用片上有６０Ｋ的Ｆｌａｓｈ和４Ｋ的ＲＡＭ，带８通道１０位Ａ／Ｄ转换的ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０作为ＭＣＵ。

同为该公司生产的ＭＣＵ与ＭＣ１３１９３能够很好的兼容，采用４线ＳＰＩ实现双方的无线通信。

对于发射模块，要发送的信号从ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０通过ＳＰＩ口传送到ＭＣ１３１９３中，经过扩频Ｏ－ＱＰＳＫ调制到载波后通过发通路从天线发射给ＺｉｇＢｅｅ汇节点或网络协调器。

对于接收模块，从天线来的射频信号解调、解扩得到原始的数据，再通过ＳＰＩ接口传送到ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０，从而实现信息的收发。

ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０内部自带的Ａ／Ｄ转换器，可以达到系统要求的转换精度，因此，由传感单元采集的各种安全指标信息经信号调理电路可以直接接到ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０的Ａ／Ｄ转换接口。

存储器主要用来存储传感器采集的临时数据。

定时器负责给节点设定唤醒时间，使该节点每隔２ｓ定时醒来，由微控制器发送命令给传感单元采集信息。

电源管理模块为其它功能模块提供正常工作所必需的电源。

２．２ＭＣＵ（ＭＣ９Ｓ０８ＧＴ６０）与ＭＣ１３１９３的接口设计ＭＣＵ与ＭＣ１３１９３采用ＳＰＩ实现信息的无线交换，其接口电路如图４所示。

图２ＭＣＵ与ＭＣ１３１９３的接口在双方通信时，ＭＣＵ首先初始化所有的ＳＰＩ寄存器。

在数据传输过程中，ＭＣＵ的ＳＰＩ寄存器中数据的通过ＭＯＳＩ１端发送到ＭＣ１３１９３的ＭＯＳＩ１端，进入ＭＣ１３１９３的ＳＰＩ寄存器，同时ＭＣ１３１９３的ＳＰＩ寄存器中的数据通过ＭＩＳＯ１端发送到ＭＣＵ的ＭＩＳＯ１端，进入ＭＣＵ的ＳＰＩ寄存器。

这样，就完成了ＭＣＵ与ＭＣ１３１９３之间的无线数据传输。

ＳＰＳＣＫ１为异步时钟信号，该信号由ＭＣＵ的时钟发生器产生，控制ＭＣＵ和ＭＣ１３１９３的ＳＰＩ寄存器。

／ＳＳ１为控制信号，只有ＭＣＵ输出低电平到ＭＣ１３１９３的／ＳＳ１引脚，两者之间才能进行通信。

ＩＲＱ为ＭＣＵ的中断信号，连接到ＭＣ１３１９３的／ＲＩＱ引脚。

将ＭＣ１３１９３的／ＡＴＴＮ端与ＭＣＵ的一个ＧＰＩＯ相连使得ＭＣＵ很好地控制ＭＣ１３１９３的工作模式。

ＭＣＵ通过一个ＧＰＩＯ口与ＭＣ１３１９３的ＲＸＴＸＥＮ相连，用来初始化芯片的收发操作。

／ＲＳＴ为复位端，用以必要的时候ＭＣＵ对ＭＣ１３１９３进行复位。

ＭＣ１３１９３可以通过ＣＬＫＯ端向ＭＣＵ输出时钟信号，该时钟是通过ＳＰＩ接口编程控制的，它的默认值为３２．７８６ＫＨｚ。

３ＺｉｇＢｅｅ模块之间的通信在软件设计方面，各层通信协议都要以节能为中心。

以传感器节点和网络协调器之间的通信为例来介绍ＺｉｇＢｅｅ模块之间的通信流程。

ＺｉｇＢｅｅ模块在进行通信前，要进行有效的初始化，ＺｉｇＢｅｅ传感器节点和网络协调器之间的初始化流程见图５所示。

在初始化过程中，网络协调器发出主动请求连接传感器节点的信令，在传感器节点成功接收和验证一个数据帧和ＭＡＣ命令帧后，向汇节点返回确认帧，传感器节点的ＺｉｇＢｅｅ模块处于休眠状态。

初始化结束后，ＺｉｇＢｅｅ模块信息处理流程见图６所示，网络协调器处于从工作模式，等待传感器节点的响应连接请求信令，而当定时时间到，传感器节点主动请求连接网络协调器，并向网络协调器上报检测到的矿井内的安全信息。

传感器节点和汇节点之间以及汇节点和网络协调之间的通信与此类似。

图３ＺｉｇＢｅｅ模块初始化流程图图４ＺｉｇＢｅｅ模块信息处理流程图４结语本文所设计的无线传感器网络，首先测试了瓦斯浓度的测量，采用贵研铂业股份有限公司提供的ＫＧ－８系列双功能传感器，该系列传感器测量范围大，灵敏度高，可满足系统的要求。