基于ZigBee的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計*

*基金項目：甘肅省教育廳2021年度高等學校創(chuàng)新基金項目，項目編號：2021B-511；酒泉職業(yè)技術學院校級科研項目，項目編號：2022XJZXM02

隨著煤礦安全生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對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)代信息技術應用，將礦井井下傳感器技術和無線通信技術引入到煤炭開采中，以提升煤炭企業(yè)整體管理水平，增強企業(yè)競爭力，提高經(jīng)濟效益，為煤炭行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。

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

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件總體設計

系統(tǒng)采用STM32 單片機作為核心控制器，通過外圍接口模塊來完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?sup>[3]。主要由ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點, 主控制器和傳感器構成。其中傳感器是采集數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，包括溫度的測量，有害氣體的測量以及濕度的測量等。傳感器檢測到信號后通過ZigBee 無線通信將信息傳輸給單片機處理。主控制器根據(jù)處理后的信息控制各模塊工作，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的自動控制。采用ZigBee 技術建立井下無線傳輸鏈路，實現(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，降低了通信費用。本系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低以及可擴展能力強等優(yōu)點；通過采用Zig Bee 技術對井下環(huán)境進行監(jiān)測并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C機可以實時顯示檢測情況，從而達到了提高工作效率、降低勞動強度以及減少人為錯誤操作等目的^[4]。系統(tǒng)硬件設計如圖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)測系統(tǒng)的主控制器采用STM32F103C8T單片機，在監(jiān)控過程中，需要對傳感器信號進行采集處理，并將其轉換為數(shù)字量輸入到單片機，同時可將采集到的信息顯示在LCD 上^[5]。其特點是：

1）具有可編程序的功能；

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

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]。它能自動檢測環(huán)境溫度和濕度信號，并將數(shù)據(jù)傳遞給單片機，從而使其對環(huán)境條件進行調(diào)節(jié)控制。具有精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點，可以滿足不同場合對溫濕度敏感程度要求的需要，并能適應各種環(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，可實時檢測甲烷含量。MQ-4 氣體傳感器所用的氣敏材料是二氧化錫（SnO₂），在潔凈空氣中導電率較低。由于其化學穩(wěn)定性好，對溫度變化不敏感，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 技術是在20 世紀90 年代中期由美國提出的一種無線射頻傳輸技術，它具有體積小、功耗低和抗干擾能力強等優(yōu)點。其工作原理如下：

1）將數(shù)據(jù)從主機發(fā)送出去；

2）在網(wǎng)絡中建立一個與主機連接的無線信道；

3）當主機收到該信息時，通過該信號向從機傳送相應的控制命令或指示。ZigBee 模塊電路采用了LRF215A 單片機控制芯片^[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)設置信息；

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

1.7 報警模塊

報警模塊采用蜂鳴器，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，通過放大后產(chǎn)生高頻振蕩，從而引起振鈴聲，并將聲音傳入揚聲器。如果環(huán)境參數(shù)低于或高于設定值，蜂鳴器會發(fā)出警報并通知工作人員；如果環(huán)境參數(shù)在預設范圍內(nèi)，蜂鳴器則不會報警^[8]。蜂鳴器電路圖如圖7 所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

編程用keil5 軟件編寫,Keil5 采用了面向對象方法開發(fā)語言，使用標準庫進行編譯與修改，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可以進行各種復雜程序和數(shù)據(jù)運算，并對結果有很好的控制。它具有強大的圖形用戶界面，能快速創(chuàng)建、編輯及執(zhí)行應用程序。它還支持多語言版本（例如C++）。Keil5 最重要的是它可以在不同平臺上實現(xiàn)完全兼容，并且支持多種編程語言。另外，Keil5 還具有強大的功能擴展能力，可進行大量的二次開發(fā)工作。

2.2 主程序設計

在整個系統(tǒng)設計過程中，為了提高程序運行效率，采用模塊化設計思想將軟件分成若干子模塊，并根據(jù)用戶需求不同，對系統(tǒng)功能做出相應調(diào)整^[9]。

首先，系統(tǒng)進行初始化，工作人員設定各個參數(shù)的安全范圍。各個傳感器開始采集數(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ZigBee 模塊發(fā)送給主控制器進行分析和處理，主控制器根據(jù)接收到的信息來控制各個傳感器執(zhí)行相應功能。主控制器判斷各個參數(shù)的實時值是否在安全范圍之內(nèi)，若是超過了安全范圍，則會自動啟動報警機制，并向現(xiàn)場人員發(fā)出警報。如果在安全范圍內(nèi)，蜂鳴器不報警。系統(tǒng)繼續(xù)工作，采集礦井內(nèi)部實時環(huán)境參數(shù)。在整個過程中，各傳感設備都要按照預設的程序正常工作，避免誤操作造成不必要的損失。最后，主控制器對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控。主程序流程圖如圖3 所示。

3 測試與分析

實驗室環(huán)境下，在不同時刻分別測量了甲烷、溫度、濕度的值，并與實際的標準值進行了對比分析。標準值用專業(yè)檢測儀器獲得。實驗數(shù)據(jù)如圖9~ 圖11 所示。

圖9 甲烷濃度對比圖

圖10 溫度對比圖

圖11 濕度對比圖

通過觀察圖9~ 圖11 可知，該系統(tǒng)所測得的甲烷濃度值、溫度值和濕度值較好地跟蹤了實際值得變化。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%，符合檢測要求，說明了該系統(tǒng)的有效性。

4 結束語

本文提出了一種基于ZigBee 的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了整個系統(tǒng)硬件電路設計以及軟件設計過程。該系統(tǒng)由單片機，傳感器模塊和ZigBee 模塊三部分組成，采用低功耗，高性能單片機作為核心控制器，傳感器模塊實現(xiàn)對井下環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、甲烷濃度等）進行采集，利用Zigbee 網(wǎng)絡傳輸方式實現(xiàn)遠距離傳輸，ZigBee 模塊將采集到的信息傳送給單片機以實現(xiàn)對井下環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測與管理。從而達到監(jiān)測人員及時了解井下環(huán)境參數(shù)變化情況的目的，并且可以實時顯示井下不同區(qū)域內(nèi)的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)。

實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠準確測量甲烷、溫度和濕度等參數(shù)，誤差小，滿足測量要求，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，具有較高的實用性與推廣價值。

參考文獻：

[1] 周嬌,童浩.基于STM32的礦用便攜式甲烷報警儀的設計[J].煤炭技術,2022,41(11):203-205.

[2] 雷文禮,張鑫,任新成,等.基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2022,30(24):1-5.

[3] 梁濤,侯友夫,李鵬,等.信息融合技術在礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].礦山機械, 2009(3):37-40.

[4] 謝國民,楊義葵,付華.基于ARM和信息融合技術的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].壓電與聲光, 2011, 33(4).

[5] 楊偉林.基于無線傳感網(wǎng)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[D].包頭:內(nèi)蒙古科技大學, 2015.

[6] 畢思武.基于GPRS的遠程礦區(qū)多媒體環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[C]//中國科協(xié)年會,2007.

[7] 張衛(wèi)東.基于DS18B20的礦井多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].2010.

[8] 陳文文, 韓杰, 鄒波, 等.礦井環(huán)境指標綜合移動監(jiān)控預警平臺[J].煤礦安全,2016, 47(6):100-103.

[9] 屠乃威.多傳感器信息融合技術在礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[D].阜新:遼寧工程技術大學,2004.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）