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摘 要：目前国内低瓦斯管道输送安全监控系统大多采用有线监控网络，存在着传输信号衰减大，布线复杂，劳动强度大，安装和维护不方便维护成本高等问题。采用ZigBee的低瓦斯管道输送安全监控系统设计方案，主要优点是极低的系统成本、安全的数据传输、灵活的组网和超大的网络容量。
关键词：低瓦斯管道输送；传感器；ZigBee无线网络；ZigBee协议栈
中图分类号： 文献标志码： 文章编号：
煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计时应遵循“阻火泄爆、抑爆阻爆、多级防护、确保安全”的原则。近年来开发出了有线网络的低瓦斯管道输送安全保障系统，但有线网络系统也存在一些问题，当监控中心距离监控点较远时，传输信号的衰减比较大，布线复杂，劳动强度大，安装和维护不方便维护成本高。
ZigBee技术主要用来组建低速率的无线个域网，网络中的成员称为节点设备，通过设置大量的传感器节点，可以实现对监测区域各种信息的采集。主要优点是极低的系统成本、
1.火焰传感器2.压力传感器3.真空泵4.截止阀5.水封阻火泄爆装置
6.自动喷粉抑爆装置
图1地面瓦斯排空系统安全设施安装示意图
安全的数据传输、灵活的组网和超大的网络容量。
1 地面瓦斯排空系统原理
如图1所示，抽放前端包括的传感器有火焰传感器、压力传感器、水位传感器；抽放后端也包含火焰传感器、压力传感器、水传感器。还有自动喷粉抑爆装置、真空泵、截止阀等保护装置。
2 系统构架
系统构架如图2所示。系统由两个ZigBee终端（RFD）和一个ZigBee协调器（FFD）构造成一个星型WSN，由终端节点上的传感器负责采集参数（火焰、压力、水位）等，并分别由各自终端以无线方式传输到协调器，在通过USB接口传输给监控计算机。
ZigBee（RFD）终端节点包括数据采集传感器、处理模块、无线通信模块和电源模块等4部分组成。ZigBee（FFD）协调器由USB通讯模块、处理模块、无线通信模块和报警模块等组成。
3 终端节点硬件设计
3.1传感器选择
火焰和压力传感器选择矿用本安型爆炸信号控制器。如图3所示，2路火焰传感器连接到控制器的开关量输入通道，2路压力传感器连接到控制器的模拟量输入通道。输出四路信号，分别是爆炸信号输出、状态信号、控制信号、压力信号。
为保证监测信号的可靠性，设置机械式冲击波传感器，将管道内有无冲击波信号实时传递给爆炸信号控制器。当监测到有燃烧爆炸信号发生时，爆炸信号控制器发出自动阻爆装置点火信号，控制关断阀迅速切断。
水位传感器选用GUY1.2系列液位传感器，工作电压为DC12～24 V，测量范围为0～1.2 m，输出为频率型信号，工作电压DC 0～5 v ，矿用本质安全性ExibI。
3.2 ZigBee芯片选择
CC2530是IT公司推出的基于ZigBee/IEE802.15.4标准的新一代SoC芯片，它集成了一个高性能的RF收发器和一个优化的低耗8051微处理器，8kB的RAM，多达256kB的闪存，包括8路7-12位ADC，2个USART和21 个通用I/O接口。
CC2530是一款无线发射芯片，具有一定的控制功能可完成本设计所需全部功能无需外加控制芯片，因此CC2530选用实现无线信号的发送和接收。
CC2530有8路AD轉换通道用于连接8种传感器，可以测量多种不同的物理量，本设计只涉及6种物理量的测量，分别是爆炸信号控制器输出的4个信号、水位传感器和机械式冲击波传感器。
4 系统软件设计
系统采用星型组网方案。采用一个ZigBee 网关加多个 ZigBee 数据节点的系统软件设计。软件包括 Zigbee 节点数据采集与发送 ZigBee 网关及上位机软件三部分。
设计开发环境选用AIR7.60，AIR7.60是在Z-STACK-2.4.0-1.4.0协议栈基础上编写的应用层软件，系统由6个节点组成一个星型网络，一个协调器负责网络的建立，3个路由器和2个终端组件网络。
4.1 ZigBee数据采集和发送
通过CC2530模块采集的可以是测量火焰、压力、水位和机械式冲击波传感器等数据。 由传感器输出的模拟信号、开关信号经过信号调理电路转换后变成数字信号，CC2530将数据处理后通过CC2530 的发射天线发送出去。
为了实现无线传输，在发射端和接收端的CC2530芯片中集成了程序。在发射端的CC2530芯片中，程序在开始完成各模块初始化后，芯片就会首先建立网络，如果判断有传感器请求加入网络时就继续进行下一步，否则就会继续检测下去，然后芯片会把传感器节点地址储存起来，此时通过按键的输入就可以使芯片发送数据到接收端。
在接收端的CC2530芯片中，在程序开始完成各模块初始化后，芯片会首先搜索网络，搜索到网络后芯片就会尝试加入网络。如果加入网络成功后，芯片就会进入接受模式，否则将继续尝试加入。进入接受模式后，系统会判断是否采集数据，如果要采集数据，则芯片会发送数据到功能模块，否则就会继续检测。
4.2网络协调器程序设计
协调器节点用来管理整个网络，它既要完成接收来自计算机端的命令并发送给其他节点任务，还要完成接收其他节点发送来的信息并通过 RS232 串口上传至计算机显示任务。
主要函数如下：
While TRUE
If RfRxFlag == 1
RfRxFlag← 0
If macRx.sourceShortAddr<201
Extract data（） //提取数据
printFlag ←TO_LCD12864；//将 printf 输出函数设置为液晶屏输出模式
Print data（） //在液晶屏上输出接收到的数据
printFlag ←TO_UART；//将 printf 输出函数设置为串口发送模式
Send data（） //向串口发送接收到的数据
End if
LED←～LED
End if
End while
5结束语
基于ZigBee的低瓦斯管道输送安全监控系统具有成本低、复杂度低、功耗低和自组网等特点，与有线系统相比较该系统存在显著的优势，有很强的推广价值和应用前景。
参考文献
[1] 张东，李长录，徐洋等.基于Zigbee技术的煤矿安全监测系统设计[J].煤矿安全2010，41（7）：77 -80.
[2] 杨 娟.低浓度瓦斯管道输送安全监控系统研究[J].《自动化与仪器仪表》，2011，155（3）：28-31.
[3] 彭芳， 王佳庆，施长浩.基于Zigbee 的冷库监控系统设计与实现[J]. 中国农机化学报，2013，34（9）：248-250.
[4] 李学哲，胡兴志，封孝辉等.基于Zigbee的煤矿巷道压力监测系统设计[J].工矿自动化，2014，40（4）：19-22.
[5] 朱延凯，李振璧，姜媛媛等.基于Zigbee无线传感器网络的井下电网漏电保护系统[J].工矿自动化，2014，40（5）：15-17.
[6] 薄英强， 欧阳名三，李业亮等.基于Zigbee的矿井水文信息监测系统[J].工矿自动化，2014，40（10）：84-87.
关键词：低瓦斯管道输送；传感器；ZigBee无线网络；ZigBee协议栈
中图分类号： 文献标志码： 文章编号：
煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计时应遵循“阻火泄爆、抑爆阻爆、多级防护、确保安全”的原则。近年来开发出了有线网络的低瓦斯管道输送安全保障系统，但有线网络系统也存在一些问题，当监控中心距离监控点较远时，传输信号的衰减比较大，布线复杂，劳动强度大，安装和维护不方便维护成本高。
ZigBee技术主要用来组建低速率的无线个域网，网络中的成员称为节点设备，通过设置大量的传感器节点，可以实现对监测区域各种信息的采集。主要优点是极低的系统成本、
1.火焰传感器2.压力传感器3.真空泵4.截止阀5.水封阻火泄爆装置
6.自动喷粉抑爆装置
图1地面瓦斯排空系统安全设施安装示意图
安全的数据传输、灵活的组网和超大的网络容量。
1 地面瓦斯排空系统原理
如图1所示，抽放前端包括的传感器有火焰传感器、压力传感器、水位传感器；抽放后端也包含火焰传感器、压力传感器、水传感器。还有自动喷粉抑爆装置、真空泵、截止阀等保护装置。
2 系统构架
系统构架如图2所示。系统由两个ZigBee终端（RFD）和一个ZigBee协调器（FFD）构造成一个星型WSN，由终端节点上的传感器负责采集参数（火焰、压力、水位）等，并分别由各自终端以无线方式传输到协调器，在通过USB接口传输给监控计算机。
ZigBee（RFD）终端节点包括数据采集传感器、处理模块、无线通信模块和电源模块等4部分组成。ZigBee（FFD）协调器由USB通讯模块、处理模块、无线通信模块和报警模块等组成。
3 终端节点硬件设计
3.1传感器选择
火焰和压力传感器选择矿用本安型爆炸信号控制器。如图3所示，2路火焰传感器连接到控制器的开关量输入通道，2路压力传感器连接到控制器的模拟量输入通道。输出四路信号，分别是爆炸信号输出、状态信号、控制信号、压力信号。
为保证监测信号的可靠性，设置机械式冲击波传感器，将管道内有无冲击波信号实时传递给爆炸信号控制器。当监测到有燃烧爆炸信号发生时，爆炸信号控制器发出自动阻爆装置点火信号，控制关断阀迅速切断。
水位传感器选用GUY1.2系列液位传感器，工作电压为DC12～24 V，测量范围为0～1.2 m，输出为频率型信号，工作电压DC 0～5 v ，矿用本质安全性ExibI。
3.2 ZigBee芯片选择
CC2530是IT公司推出的基于ZigBee/IEE802.15.4标准的新一代SoC芯片，它集成了一个高性能的RF收发器和一个优化的低耗8051微处理器，8kB的RAM，多达256kB的闪存，包括8路7-12位ADC，2个USART和21 个通用I/O接口。
CC2530是一款无线发射芯片，具有一定的控制功能可完成本设计所需全部功能无需外加控制芯片，因此CC2530选用实现无线信号的发送和接收。
CC2530有8路AD轉换通道用于连接8种传感器，可以测量多种不同的物理量，本设计只涉及6种物理量的测量，分别是爆炸信号控制器输出的4个信号、水位传感器和机械式冲击波传感器。
4 系统软件设计
系统采用星型组网方案。采用一个ZigBee 网关加多个 ZigBee 数据节点的系统软件设计。软件包括 Zigbee 节点数据采集与发送 ZigBee 网关及上位机软件三部分。
设计开发环境选用AIR7.60，AIR7.60是在Z-STACK-2.4.0-1.4.0协议栈基础上编写的应用层软件，系统由6个节点组成一个星型网络，一个协调器负责网络的建立，3个路由器和2个终端组件网络。
4.1 ZigBee数据采集和发送
通过CC2530模块采集的可以是测量火焰、压力、水位和机械式冲击波传感器等数据。 由传感器输出的模拟信号、开关信号经过信号调理电路转换后变成数字信号，CC2530将数据处理后通过CC2530 的发射天线发送出去。
为了实现无线传输，在发射端和接收端的CC2530芯片中集成了程序。在发射端的CC2530芯片中，程序在开始完成各模块初始化后，芯片就会首先建立网络，如果判断有传感器请求加入网络时就继续进行下一步，否则就会继续检测下去，然后芯片会把传感器节点地址储存起来，此时通过按键的输入就可以使芯片发送数据到接收端。
在接收端的CC2530芯片中，在程序开始完成各模块初始化后，芯片会首先搜索网络，搜索到网络后芯片就会尝试加入网络。如果加入网络成功后，芯片就会进入接受模式，否则将继续尝试加入。进入接受模式后，系统会判断是否采集数据，如果要采集数据，则芯片会发送数据到功能模块，否则就会继续检测。
4.2网络协调器程序设计
协调器节点用来管理整个网络，它既要完成接收来自计算机端的命令并发送给其他节点任务，还要完成接收其他节点发送来的信息并通过 RS232 串口上传至计算机显示任务。
主要函数如下：
While TRUE
If RfRxFlag == 1
RfRxFlag← 0
If macRx.sourceShortAddr<201
Extract data（） //提取数据
printFlag ←TO_LCD12864；//将 printf 输出函数设置为液晶屏输出模式
Print data（） //在液晶屏上输出接收到的数据
printFlag ←TO_UART；//将 printf 输出函数设置为串口发送模式
Send data（） //向串口发送接收到的数据
End if
LED←～LED
End if
End while
5结束语
基于ZigBee的低瓦斯管道输送安全监控系统具有成本低、复杂度低、功耗低和自组网等特点，与有线系统相比较该系统存在显著的优势，有很强的推广价值和应用前景。
参考文献
[1] 张东，李长录，徐洋等.基于Zigbee技术的煤矿安全监测系统设计[J].煤矿安全2010，41（7）：77 -80.
[2] 杨 娟.低浓度瓦斯管道输送安全监控系统研究[J].《自动化与仪器仪表》，2011，155（3）：28-31.
[3] 彭芳， 王佳庆，施长浩.基于Zigbee 的冷库监控系统设计与实现[J]. 中国农机化学报，2013，34（9）：248-250.
[4] 李学哲，胡兴志，封孝辉等.基于Zigbee的煤矿巷道压力监测系统设计[J].工矿自动化，2014，40（4）：19-22.
[5] 朱延凯，李振璧，姜媛媛等.基于Zigbee无线传感器网络的井下电网漏电保护系统[J].工矿自动化，2014，40（5）：15-17.
[6] 薄英强， 欧阳名三，李业亮等.基于Zigbee的矿井水文信息监测系统[J].工矿自动化，2014，40（10）：84-87.