基于ZigBee的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

*基金項(xiàng)目：甘肅省教育廳2021年度高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2021B-511；酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2022XJZXM02

隨著煤礦安全生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對(duì)煤礦安全管理提出了更高要求。在這一背景下，基于“以人為本”理念和現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用，將礦井井下傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)引入到煤炭開(kāi)采中，以提升煤炭企業(yè)整體管理水平，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，提高經(jīng)濟(jì)效益，為煤炭行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

在進(jìn)行井下作業(yè)時(shí)，為了保證安全生產(chǎn)和人員的身體健康，必須對(duì)井下巷道內(nèi)存在的各種有害因素進(jìn)行控制^[1]。本文基于ZigBee 技術(shù)和傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境參數(shù)的采集與控制，從而實(shí)現(xiàn)有效控制和減少安全事故的發(fā)生^[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)作為核心控制器，通過(guò)外圍接口模塊來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?sup>[3]。主要由ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn), 主控制器和傳感器構(gòu)成。其中傳感器是采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括溫度的測(cè)量，有害氣體的測(cè)量以及濕度的測(cè)量等。傳感器檢測(cè)到信號(hào)后通過(guò)ZigBee 無(wú)線通信將信息傳輸給單片機(jī)處理。主控制器根據(jù)處理后的信息控制各模塊工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)控制。采用ZigBee 技術(shù)建立井下無(wú)線傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸功能，在保證安全性的前提下提高傳輸速度，降低了通信費(fèi)用。本系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低以及可擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；通過(guò)采用Zig Bee 技術(shù)對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)情況，從而達(dá)到了提高工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度以及減少人為錯(cuò)誤操作等目的^[4]。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 主控制器模塊

礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控制器采用STM32F103C8T單片機(jī)，在監(jiān)控過(guò)程中，需要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集處理，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到單片機(jī)，同時(shí)可將采集到的信息顯示在LCD 上^[5]。其特點(diǎn)是：

1）具有可編程序的功能；

2）在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多種輸入方式及輸出模式，可以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的要求；

3）具有豐富的外圍接口功能。

4）具有較高的可靠性。最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

1.3 溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊采用DHT11 數(shù)字型溫濕度傳感器^[6]。它能自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境溫度和濕度信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，從而使其對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。具有精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可以滿足不同場(chǎng)合對(duì)溫濕度敏感程度要求的需要，并能適應(yīng)各種環(huán)境下工作條件及使用要求。電路原理圖如圖3 所示。

1.4 甲烷采集模塊

甲烷采集模塊采用MQ-4 氣體傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)甲烷含量。MQ-4 氣體傳感器所用的氣敏材料是二氧化錫（SnO₂），在潔凈空氣中導(dǎo)電率較低。由于其化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)溫度變化不敏感，因此它具有很高的靈敏度和選擇性，特別適合于測(cè)量甲烷等參數(shù)。電路原理圖如圖4 所示。

1.5 ZigBee通信模塊

ZigBee 技術(shù)是在20 世紀(jì)90 年代中期由美國(guó)提出的一種無(wú)線射頻傳輸技術(shù)，它具有體積小、功耗低和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理如下：

1）將數(shù)據(jù)從主機(jī)發(fā)送出去；

2）在網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)與主機(jī)連接的無(wú)線信道；

3）當(dāng)主機(jī)收到該信息時(shí)，通過(guò)該信號(hào)向從機(jī)傳送相應(yīng)的控制命令或指示。ZigBee 模塊電路采用了LRF215A 單片機(jī)控制芯片^[7]。電路原理圖如圖5所示。

1.6 顯示模塊

顯示模塊采用LCD1602顯示屏，主要作用是：

1）顯示各種參數(shù)設(shè)置信息；

2）記錄所需運(yùn)行環(huán)境下所有相關(guān)參數(shù)。電路原理圖如圖6所示。

1.7 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊采用蜂鳴器，蜂鳴器的工作原理是：利用三極管與電容、電阻和電感等元件形成共模電壓，通過(guò)放大后產(chǎn)生高頻振蕩，從而引起振鈴聲，并將聲音傳入揚(yáng)聲器。如果環(huán)境參數(shù)低于或高于設(shè)定值，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)并通知工作人員；如果環(huán)境參數(shù)在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，蜂鳴器則不會(huì)報(bào)警^[8]。蜂鳴器電路圖如圖7 所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

編程用keil5 軟件編寫,Keil5 采用了面向?qū)ο蠓椒ㄩ_(kāi)發(fā)語(yǔ)言，使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行編譯與修改，并提供完整的程序接口供用戶選擇，具有很高的靈活性。使用Keil5可以進(jìn)行各種復(fù)雜程序和數(shù)據(jù)運(yùn)算，并對(duì)結(jié)果有很好的控制。它具有強(qiáng)大的圖形用戶界面，能快速創(chuàng)建、編輯及執(zhí)行應(yīng)用程序。它還支持多語(yǔ)言版本（例如C++）。Keil5 最重要的是它可以在不同平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)完全兼容，并且支持多種編程語(yǔ)言。另外，Keil5 還具有強(qiáng)大的功能擴(kuò)展能力，可進(jìn)行大量的二次開(kāi)發(fā)工作。

2.2 主程序設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了提高程序運(yùn)行效率，采用模塊化設(shè)計(jì)思想將軟件分成若干子模塊，并根據(jù)用戶需求不同，對(duì)系統(tǒng)功能做出相應(yīng)調(diào)整^[9]。

首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，工作人員設(shè)定各個(gè)參數(shù)的安全范圍。各個(gè)傳感器開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的井下環(huán)境信息（溫濕度、甲烷濃度等）通過(guò)ZigBee 模塊發(fā)送給主控制器進(jìn)行分析和處理，主控制器根據(jù)接收到的信息來(lái)控制各個(gè)傳感器執(zhí)行相應(yīng)功能。主控制器判斷各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)值是否在安全范圍之內(nèi)，若是超過(guò)了安全范圍，則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制，并向現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)出警報(bào)。如果在安全范圍內(nèi)，蜂鳴器不報(bào)警。系統(tǒng)繼續(xù)工作，采集礦井內(nèi)部實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)。在整個(gè)過(guò)程中，各傳感設(shè)備都要按照預(yù)設(shè)的程序正常工作，避免誤操作造成不必要的損失。最后，主控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。主程序流程圖如圖3 所示。

3 測(cè)試與分析

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，在不同時(shí)刻分別測(cè)量了甲烷、溫度、濕度的值，并與實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了對(duì)比分析。標(biāo)準(zhǔn)值用專業(yè)檢測(cè)儀器獲得。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9~ 圖11 所示。

圖9 甲烷濃度對(duì)比圖

圖10 溫度對(duì)比圖

圖11 濕度對(duì)比圖

通過(guò)觀察圖9~ 圖11 可知，該系統(tǒng)所測(cè)得的甲烷濃度值、溫度值和濕度值較好地跟蹤了實(shí)際值得變化。甲烷濃度的最大誤差為0.9%，溫度值得最大誤差為0.6%，濕度值的最大誤差為0.7%，符合檢測(cè)要求，說(shuō)明了該系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于ZigBee 的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。介紹了整個(gè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)由單片機(jī)，傳感器模塊和ZigBee 模塊三部分組成，采用低功耗，高性能單片機(jī)作為核心控制器，傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、甲烷濃度等）進(jìn)行采集，利用Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，ZigBee 模塊將采集到的信息傳送給單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。從而達(dá)到監(jiān)測(cè)人員及時(shí)了解井下環(huán)境參數(shù)變化情況的目的，并且可以實(shí)時(shí)顯示井下不同區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量甲烷、溫度和濕度等參數(shù)，誤差小，滿足測(cè)量要求，能夠有效地提高煤礦井下巷道內(nèi)的環(huán)境信息采集效率，可為煤礦生產(chǎn)提供全方位的信息支持，具有較高的實(shí)用性與推廣價(jià)值。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）