专利名称：一种基于ZigBee网络节点的井下监控网络系统的制作方法
技术领域：
本发明属于煤矿井下安全监测技术领域，具体涉及一种基于ZigBee网络节点的 井下监控网络系统。
背景技术：
煤炭作为我国的基本能源和重要原料，在国民经济中占有极其重要的战略地位。 在我国的能源结构中，煤炭占我国一次性能源生产和消费结构中的70%左右，预计到2050 年仍将占50%以上。因此，在相当长的时期内煤炭仍将是我国的主要能源，以煤炭为主的能 源结构在短期内将难以改变。近来，随着对煤炭需求量的增大，我国煤矿事故又有攀升趋势，煤矿安全状况令人 担忧。我国煤矿安全信息技术的网络化程度不高，井下安全信息不能及时传送到井上安全 生产控制中心，是导致煤矿事故频发的重要原因之一。我国现有的煤矿安全信息系统大多 是通过有线网络建立的，随着煤矿开采的日益变化，煤矿井下的物理结构日新月异地改变 着，原先设计好的有线网络传输系统很难做到完全的监控覆盖，重新建立新的有线网络系 统，在成本上、人力上、扩展性等方面都不符合实际情况的发展。因此，建立一套灵活、可靠、 扩展性强的煤矿安全无线监控网络迫在眉睫。随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的 飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器在军事、工业、农业和宇航各个领 域开始出现。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体；集传感与驱动 控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源(计算、存储和能源)受限的嵌入式设备。由 这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种 监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。传感器网络在军事侦 察、环境信息、检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域 有着广阔的应用前景。蓝牙技术是无线通讯的一种，在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管 有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙 技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求 越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场 的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年正式问世。Zigbee是 IEEE 802. 15. 4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信 技术。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。目前，我国矿区监控技术也从人工监控发展到了自动监控与监控，监控系统从环 境安全监控发展到了工况监控和生产监控，并逐步形成了矿区监控网络，为矿区生产和管 理的现代化提供了良好的条件。国外六、七十年代发展起来的煤矿监控技术，近年来在我国 有了飞速的发展，各种煤矿监控系统及其配套产品应运而生。大连矿山安全科学技术研究院的井下人员定位跟踪管理系统。该系统是集自动控
3制技术、射频识别技术、网络通讯技术等，多学科综合应用为一体的自动识别信息系统。该 系统是通过对坑道远距离移动目标进行非接触式信息采集处理，实现对人车物在不同状态 移动、静止下的自动识别，从而实现目标的自动化管理。中科院计算技术研究所研发了井下传感网络技术型煤矿无线综合监控系统，该系 统利用了无线传感器网络特有的自组织、数据式多跳路由、低成本等特点。基于上述，目前，我国煤矿井下安全监控系统大多采用设备监控和人工监控相结 合的方法，此类安全监控系统在系统成本、可靠性和人员安全方面有很大的不足之处。首先，基于有线网络的安全监控系统由于需要建设有线传输系统，因此在很大程 度上限制了网络规模的扩大。随着开采面的不断向前推进，开采计划随井下煤炭的分布情 况而变化，基于有线网络的安全监控系统的扩展跟不上开采的实际要求，使得网络的数据 可靠性和实时性得不到保证，难以确保重要的安全数据、控制数据和井下仪表的检测数据 及时的传输。这就成为煤矿安全监控系统采用有线网络为传输介质的最大不足。其次，人工监控的方案是凭借专门人员丰富的实际经验对危险情况的发生进行预 测。由于该类专门人员数量有限，同时考虑到监察员对各个区域检查的随机性，导致不可能 覆盖井下所有区域。而且，瓦斯在空气中含量高时可降低氧含量，引起窒息，亲自到达信息 采集点采集瓦斯信息，还存在采集人员的人身安全问题。
发明内容
针对现有煤矿安全监控系统技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种通过 无线传感器网络通信方式，网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整特性的基于 ZigBee网络节点的监控网络系统。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现一种基于ZigBee网络节点的监测网络系统，其特征在于，包括采用Internet网 络发布相关信息的地面安全监控系统、信息管理网络、采集井下环境参数和人员信息数据 的ZigBee无线传感器网络和连接地面安全监控系统和井下ZigBee无线传感器网络的CAN 网络，所述地面安全监控系统对井下的各种数据进行收集、分析，并依此井下安全状况的 判断、应对措施的决策和预警信息的发布，其将需要向井下发布的信息通过CAN网络发往 ZigBee无线传感器网络。进一步的，所述ZigBee无线传感器网络包括采集井下环境参数和人员信息数据 的便携式移动结点，接收移动结点发送的检测数据以及自身采集的数据的矿井巷道固定结 点和通过CAN网络连接地面安全监控系统的ZigBee-CAN网关；所述矿井巷道固定结点将移 动结点发送的数据以及自身采集的数据通过ZigBee传送ZigBee-CAN网关，网关将这些数 据通过有线的现场总线(CAN)网络转发到地面安全监控系统。进一步的，所述矿井巷道固定结点为ZigBee网络路由器，所述的便携式移动结点 为ZigBee网络节点，所述ZigBee网络节点包括ZigBee收发器、电源管理单元、温湿度传感 器、瓦斯浓度传感器、报警装置和功率放大电路；所述电源管理单元、温湿度传感器、瓦斯浓 度传感器、报警装置和功率放大电路均与ZigBee收发器通过电路相连接。进一步的，所述ZigBee收发器还连接有用于对节点的某些工作参数进行设置，对 节点的工作状况和环境参数进行查看的人机接口，用于对节点的某些工作参数进行设置，对节点的工作状况和环境参数进行查看等。进一步的，所述人机接口包括用于对节点的某些工作参数进行设置的按键和对节 点的工作状况和环境参数进行查看的显示器。进一步的，所述的ZigBee收发器采用的是CC2530微处理器，功耗低、安全可靠。本发明矿井巷道固定结点将便携式移动结点发送的数据以及自身采集的数据通 过ZigBee传送ZigBee-CAN网关，网关将这些数据通过有线的现场总线(CAN)网络转发到 地面安全监控系统，地面安全监控系统采用Internet网络发布相关信息。安全监控中心对 井下的各种数据进行收集、分析，并依此井下安全状况的判断、应对措施的决策和预警信息 的发布，其将需要向井下发布的信息通过CAN网络发往ZigBee-CAN网关，ZigBee-CAN网关 再将该信息通过ZigBee网络发往指定的便携式移动节点，或进行全网广播。本发明从根本上解决现有监控系统存在的缺陷；其采用最新的无线传感器网络技 术即ZigBee，与传统的网络相比，它是一种以数据为中心的自组织无线网络，网络中的结 点密集，数量巨大且部署在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自 调整特性；本发明兼容现行煤矿安全系统数据传输方式的功能，具有很好的灵活性，可扩展 性，自组织网络的能力，并且具有成本低、体积小、功耗低、安全可靠等优点，主要用于煤矿 井下的温度、湿度、瓦斯浓度等数据的实时监测、传输和处理；对出现的瓦斯事故进行预警 和安全监控支持；将井下环境参数和井下作业人员信息等数据在电子地图上进行实时显 示；允许媒体和公众远程访问和查询有关信息。
图1为本发明的网络结构框图；图2为本发明煤矿井下安全监控系统的ZigBee网络节点的模块框图；图3为本发明的CC2530典型应用电路；图4为本发明射频功率放大电路图；图5为本发明SHTll内部功能框图；图6为本发明SHTll与主机的连接电路图；图7为本发明瓦斯浓度传感器工作原理示意图。
具体实施例方式为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明。参见图1，本发明针对目前各种煤矿安全产品的多样性，以及煤矿开采过程中井 下空间的多变性，而提供一种兼容现行煤矿安全系统数据传输方式的功能，具有很好的灵 活性，可扩展性，自组织网络能力的基于ZigBee网络节点的监控网络系统，其包括采用 Internet网络发布相关信息的地面安全监控系统、信息管理网络、设置在井下，并采集井 下环境参数如温度、湿度、瓦斯浓度等数据和井下人员信息数据的ZigBee无线传感器网络 和连接地面安全监控系统和井下ZigBee无线传感器网络的CAN网络。该ZigBee无线传 感器网络将采集的环境参数如温度、湿度、瓦斯浓度等数据和井下人员信息数据通过现场 总线(CAN)网络转发到地面安全监控系统，该地面安全监控系统对井下的各种数据进行收集、分析，并依此井下安全状况的判断、应对措施的决策和预警信息的发布，其将需要向井 下发布的信息再通过CAN网络发往ZigBee无线传感器网络，再通过ZigBee网络发往指定 的ZigBee网络节点，或进行全网广播。值得一提的是，本发明主要负责从矿井入口处延伸到工作面的区域，该井下监测 网络系统采用ZigBee，每个矿井可以是视为一个ZigBee无线传感器网络，主要由三部分组 成(1)矿井巷道固定结点组成无线传感器网络的主要结点，同时可充当ZigBee网络的路 由器，以无线传感器网络无线多跳传输方式传输数据；(2)便携式移动结点井下工作人员 随身携带的结点，也是每个人员的身份标记，用于采集井下环境参数和人员信息数据；(3) ZigBee-CAN网关井下无线网络与地面有线网络的连接转换设备，同时也是ZigBee网络的 协调器，即是井下无线网络的组织者和管理者。矿井巷道固定结点将移动结点发送的数据以及自身采集的数据通过ZigBee传送 ZigBee-CAN网关，该ZigBee-CAN网关将这些数据通过有线的现场总线(CAN)网络转发到地 面安全监控系统。安全监控系统对井下的各种数据进行收集、分析，并依此井下安全状况的 判断、应对措施的决策和预警信息的发布，其将需要向井下发布的信息通过CAN网络发往 ZigBee-CAN网关，ZigBee-CAN网关再将该信息通过ZigBee网络发往指定的节点，或进行全 网广播。本实施例中，参见图2，便携式移动结点为ZigBee网络节点，是煤矿井下安全监控 系统中的关键部分，并是井下环境参数和人员信息数据的来源。该ZigBee网络节点主要由 ZigBee收发器、电源管理单元、温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、报警装置、人机接口和功率 放大电路组成；其各部分功能如下UZigBee收发器；ZigBee终端节点的功能是各种传感器配合组成智能传感器，进 行温湿度、瓦斯浓度、人员定位等环境数据的采集及分析等功能，其功能相对简单，但是需 求量大，因此要充分考虑到系统成本的问题。基于以上需求，本系统中ZigBee收发器采用 CC2530微处理器作为ZigBee网络终端节点的主处理器。CC2530 是为 2. 4GHz IEEE 802. 15. 4 和 ZigBee 应用提供的片上系统(SoC, System on Chip)解决方案，它集成了一个高性能2. 4GHz DSSS (直接序列扩频)射频收发器核心 和一个工业级的高效8051控制器，能满足以ZigBee为基础的2. 4GHz ISM波段应用对低成 本，低功耗的要求。参见图3，该CC2530微处理器含有CC2530芯片延用了现有CC2430芯片的架构，在 单个芯片上整合了 ZigBee射频前端、程序存储器、数据内存和微控制器核心。它使用1个 8位MCU (8051)，具有256KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个 定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer),32kHz晶振的休眠 模式定时器、上电复位电路(Power OnReset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及 21个可编程1/0引脚。CC2530芯片采用0. 18ym CMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电 流损耗分别低于27mA和25mA。CC2530的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性， 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2530芯片的主要特点如下 高性能和低功耗的8051微控制器核 集成符合I EEE802. 15. 4标准的2. 4GHz的RF无线收发器 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性
在休眠模式时仅0. 9 μ A的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时 少于0. 6 μ A的流耗，外部的中断能唤醒系统
硬件支持CSMA/CA功能 较宽的电压范围(2. 0 3. 6V) 数字化的接收信号强度指示(RSSI/LQI)支持和强大的DMA功能 具有电池监测和温度感测功能 集成了 14位模数转换的ADC 集成AES安全协处理器 带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802. 15. 4规范的 MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器 强大和灵活的开发工具CC2530芯片只需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，其典型应用电 路如图3所示。2、射频功能放大电路；煤矿井下环境恶劣，尤其是电磁环境复杂，会影响到无线 信号的传输质量，而且当某个路由器/节点因某些原因如电力不足或矿井爆炸等退出网络 时，需要其他的路由器/节点能够代替退出网络的路由器/节点执行其在网络中的功能，因 此需要的时候要求路由器/节点适当增加其射频输出功率，增大网络覆盖范围。本实施例采用的是CC2591射频前端芯片作为射频功率放大电路中的功率放大 器，其与CC2530的接口及外围电路如图4所示。3、温湿度传感器；该温湿度传感器采用的是SHT11，SHTll的内部框图如图5及其 与CC2530微处理器的接口电路如图6所示，SHTll内包括温度传感器、湿度传感器、校准传 感器、放大器和带有数字双线接口的CRF发生器；该温度传感器、湿度传感器、校准传感器 输出端均与放大器等输入端相连接，所述放大器的输出端再与CRF发生器相连接，在CRF发 生器上还连接数字双线接口，即SCK、DATA发送送接口。主机(UC)内CC2530微处理器与 SHTll的接口连接，来传送信息，SHTll工作电压2. 4-5. 5V。本实施例采用的SHTll作为温 湿度传感器具有完全校准的数字输出、低功耗、体积小巧、不需要外部器件、长期稳定等特 点，非常适合于在煤矿井下使用。4、瓦斯浓度传感器；瓦斯浓度传感器采用防爆型矿用催化燃烧式气体传感器 MC3. 0L。如图7所示，MC3. OL型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补 偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该 电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。MC3. OL用作井下瓦斯浓度传感器，具有防爆、稳定可靠、输出电压信号与瓦斯浓度 成正比、快速响应恢复、抗温湿度干扰等特点。其探测范围为0 4% VOL，灵敏度为20 40mV/l %，响应时间彡IOs,恢复时间彡30s,工作电压3V±0. IV，工作电流110士 10mA，功率 彡360mW，在环境温度为-40°C 70°C、湿度彡95% RH的条件下均可正常工作。由于MC3. OL本身的阻值非常小，当环境中的瓦斯浓度发生变化时其阻值变化很 小，这样电桥的输出电压变化也非常小，在实际应用中需要对该输出电压进行放大之后才 能进行测量。这里采用精密仪表放大器AD623AR来对MC3. OL的输出信号进行放大，放大倍 数可通过一个电阻在1 1000倍之间进行精确的调整，放大后的电压信号使用CC2530微
7处理器的高精度模数转换器转换为数字量，然后根据瓦斯浓度与电压的关系即可计算出瓦 斯浓度。MC3. OL的工作电压为3. OV士0. IV，其对电源电压的准确度要求较高，因此在设计 中使用一个低压差线性稳压芯片LM1117为其供电，使用精密电阻来调节其工作电压。另外 由于MC3. OL的工作电流较大，远大于本ZigBee节点中的其它部件，因此设计中还使用一片 功率MOSFET来控制其电源的通断，只有当需要测量瓦斯浓度是才给其供电。当瓦斯浓度测 量的频繁程度较低时，能有效降低节点的总的平均功耗。5、电源管理模块，用于提供整个监控网络系统的电源。6、人机接口及报警装置；人机接口包括按键和显示器，用于对节点的某些工作参 数进行设置，对节点的工作状况和环境参数进行查看等。报警装置用于当井下环境发生危险情况时，或节点收到地面安全监控系统中心发 布的信息时，对井下工作的有关人员进行提示和告警。上述电源管理单元、温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、报警装置、人机接口和功率 放大电路均与ZigBee收发器通过电路相连接。基于上述，由于矿井下有其特殊的应用环境，比如外界的环境影响，比较广阔的覆 盖范围等因素，对于井下无线网络的数据传输提出了很高的要求。从无线组网的角度出发， 结合低功耗的设计思想，将先进的无线网络协议引进到煤矿安全系统中来，使得煤矿安全 系统的数据传输性能和效率都得到大大的提高，并降低系统扩展所带来的成本。随着巷道的延伸，该系统可以及时地在这些区域增加无线网络结点，扩大网络规 模，其目的就是从根本上解决现有监控系统存在的不足。该系统采用最新的无线传感器网 络技术，与传统的网络相比，它是一种以数据为中心的自组织无线网络。网络中的结点密 集，数量巨大且部署在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整 特性；网络结点具有成本低、体积小、功耗低、安全可靠等特点。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
权利要求
一种基于ZigBee网络节点的监测网络系统，其特征在于，包括对井下的各种数据进行收集、分析，并依此井下安全状况的判断、应对措施的决策和预警信息发布的地面安全监控系统、采集井下环境参数和人员信息数据的ZigBee无线传感器网络和连接地面安全监控系统和井下ZigBee无线传感器网络的CAN网络；所述地面安全监控系统向井下发布的信息通过CAN网络发往ZigBee无线传感器网络。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee网络节点的监测网络系统，其特征在于，所 述ZigBee无线传感器网络包括采集井下环境参数和人员信息数据的便携式移动结点，接 收移动结点发送的检测数据以及自身采集的数据的矿井巷道固定结点和通过CAN网络连 接地面安全监控系统的ZigBee-CAN网关；所述矿井巷道固定结点将移动结点发送的数据 以及自身采集的数据通过ZigBee传送ZigBee-CAN网关，所述ZigBee传送ZigBee-CAN网 关将这些数据通过有线的CAN网络转发到地面安全监控系统。
3.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee网络节点的监测网络系统，其特征在于，所 述矿井巷道固定结点为ZigBee网络路由器，所述的便携式移动结点为ZigBee网络节点，所 述ZigBee网络节点包括ZigBee收发器、电源管理单元、温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、报 警装置和功率放大电路；所述电源管理单元、温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、报警装置和 功率放大电路均与ZigBee收发器通过电路相连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于ZigBee网络节点的监测网络系统，其特征在于，所 述ZigBee收发器还连接有用于对节点的某些工作参数进行设置，对节点的工作状况和环 境参数进行查看的人机接口。
5.根据权利要求4所述的一种基于ZigBee网络节点的监测网络系统，其特征在于，所 述人机接口包括用于对节点的某些工作参数进行设置的按键和对节点的工作状况和环境 参数进行查看的显示器。
6.根据权利要求3、4或5所述的一种基于ZigBee网络节点的监测网络系统，其特征在 于，所述的ZigBee收发器采用的是CC2530微处理器。
全文摘要
本发明公开的是一种基于ZigBee网络节点的监测网络系统，包括对井下的各种数据进行收集、分析，并依此井下安全状况的判断、应对措施的决策和预警信息发布的地面安全监控系统、采集井下环境参数和人员信息数据的ZigBee无线传感器网络和连接地面安全监控系统和井下ZigBee无线传感器网络的CAN网络；地面安全监控系统向井下发布的信息通过CAN网络发往ZigBee无线传感器网络。本发明采用无线传感器网络技术即ZigBee，是一种以数据为中心的自组织无线网络，网络中的结点密集，数量巨大且部署在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整特性；兼容现行煤矿安全系统数据传输方式的功能，具有很好的灵活性、可扩展性、自组织网络的能力、成本低、功耗低、安全可靠。
文档编号E21F17/18GK101881183SQ20101020251
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者师斌, 庞晓华, 王莉莎, 郭宏, 陈岩 申请人:昆山诺金传感技术有限公司;威海诺金传感技术有限公司;北京鑫诺金传感技术有限公司;北京鑫诺金电子科技发展有限公司;北京德思源电子科技发展有限公司