采空區(qū)溫度監(jiān)測(cè)Zigbee 無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)研究

馮文健

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

就目前來(lái)看，煤炭仍然是我國(guó)的主要一次能源，隨著綜采設(shè)備的逐漸完善，綜采面采高高度也逐漸加高，這就造成了煤矸石易掉落，增加了浮煤的含量，易產(chǎn)生自燃[1-3]。另外現(xiàn)在挖掘的深度越來(lái)越深，深度越深綜采面的內(nèi)部壓力越大，溫度也就越難以控制。所以采空區(qū)遺煤、浮煤的自燃問(wèn)題是困擾煤炭安全開(kāi)采的重大難題[4-5]。對(duì)采空區(qū)任何隱藏點(diǎn)溫度的監(jiān)測(cè)是解決煤自燃的最重要手段之一，只有準(zhǔn)確及時(shí)監(jiān)測(cè)溫度才會(huì)有效抑制遺煤、浮煤由自熱向自燃的轉(zhuǎn)變，根本保證采空區(qū)的安全[6-8]。

目前井下測(cè)溫系統(tǒng)多是由有線系統(tǒng)組成，其施工難度大、靈活性低，很難將所有的采掘點(diǎn)都覆蓋到[9]。本文提出的無(wú)線自組網(wǎng)傳感器系統(tǒng)是一種低功耗、易安裝、抗毀性能強(qiáng)的系統(tǒng)，特別適合與安裝地點(diǎn)隨意改動(dòng)、不易施工的場(chǎng)所。

1 采空區(qū)測(cè)溫自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示，本文的設(shè)計(jì)方案采用理論與實(shí)際相結(jié)合的思路，加入無(wú)線傳感器信息采集和傳輸技術(shù)，對(duì)組網(wǎng)的協(xié)議、安全、數(shù)據(jù)管理和嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行深入探討，在調(diào)查井下采空區(qū)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上搭建模擬平臺(tái)研究遺煤、浮煤、巖石堆積對(duì)無(wú)線模塊之間通信的影響確定最佳的無(wú)線傳輸頻率和天線構(gòu)造[10-11]。

圖1 方案框圖

2 Zigbee 測(cè)溫終端及網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

每一個(gè)測(cè)溫終端都肩負(fù)著將固定位置的溫度信息每隔一段時(shí)間發(fā)送到本區(qū)域網(wǎng)管的任務(wù)，終端內(nèi)部電路圖如圖2 所示，CC2530 是一種超低功耗、高集成度OEM 模塊，集成了MCU、RF 電路、存儲(chǔ)器、Zigbee 協(xié)議，大大降低了開(kāi)發(fā)的難度。內(nèi)部的射頻芯片為AT86F212，這種專門(mén)為Zigbee 設(shè)計(jì)的芯片其功耗非常低。MCU 為CC2530，該芯片是屬于超低功耗8位CMOS 處理器。Zigbee 模塊與數(shù)字式溫度傳感器TMP112 使用SPI 接口時(shí)實(shí)進(jìn)行通信，將獲取的溫度值存儲(chǔ)在內(nèi)部的EEROOM 中，每隔一段時(shí)間將這一段時(shí)間采集到的溫度值的平均值上送給網(wǎng)關(guān)。模塊自帶本安電路和ESD 防靜電電路，達(dá)到IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的EMC 標(biāo)準(zhǔn)和本安特性。

圖2 終端內(nèi)部電路圖

網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與終端類似，只不過(guò)只是將固定區(qū)域內(nèi)的終端信息匯總?cè)缓蠓职l(fā)送給綜合監(jiān)控平臺(tái)。

3 溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂贩峙渌惴?/h2>

網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將自己區(qū)域內(nèi)的任意一個(gè)終端分配唯一的地址，其中有一些特殊的網(wǎng)關(guān)規(guī)定其余網(wǎng)關(guān)所擁有的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)目，也就是最大的終端數(shù)，這種特殊的一類網(wǎng)關(guān)類似于路由節(jié)點(diǎn)，而其余的網(wǎng)關(guān)稱之為父節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)下的終端數(shù)目稱之為子節(jié)點(diǎn)。

在一個(gè)組網(wǎng)的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目總會(huì)有其最大的容量值，稱之為網(wǎng)絡(luò)深度，子節(jié)點(diǎn)地址的分配由父節(jié)點(diǎn)按照如下公式分配：

d為節(jié)點(diǎn)m到路由節(jié)點(diǎn)的相對(duì)深度；Cskip（d）為節(jié)點(diǎn)m所擁有的子節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Cm為被節(jié)點(diǎn)m所控制的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Rm為用作路由功能的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Lm為最大的網(wǎng)絡(luò)容量，也稱之為網(wǎng)絡(luò)深度。

顯然當(dāng)Cskip（d）為0 時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)為末端節(jié)點(diǎn)也就是子節(jié)點(diǎn)，無(wú)法也沒(méi)有必要將其他的節(jié)點(diǎn)介入這個(gè)節(jié)點(diǎn)之中，這個(gè)節(jié)點(diǎn)不具有再分配地址的能力。當(dāng)Cskip（d）大于0 時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就為父節(jié)點(diǎn)，可以將其他的設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，具備拓展網(wǎng)絡(luò)的能力。網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)n的地址按下式計(jì)算：

其中：An為路由節(jié)點(diǎn)n的地址；Aparen為節(jié)點(diǎn)n父節(jié)點(diǎn)的地址；子節(jié)點(diǎn)l地址按下式計(jì)算：

其中：Al為路由節(jié)點(diǎn)l的地址；Aparent為節(jié)點(diǎn)l 父節(jié)點(diǎn)的地址。

按照式（1）～（3）分配地址，部分設(shè)備地址分配圖如圖3 所示。

圖3 地址分配示意圖

4 溫度數(shù)據(jù)采集、上傳流程

4.1 終端采集溫度工作流程

終端子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將最底層的溫度數(shù)據(jù)采集并上傳，終端上電后首先進(jìn)行硬件外設(shè)等初始化，而后Zigbee 芯片CC2530 初始化Zigbee 協(xié)議，發(fā)送主動(dòng)請(qǐng)求加入Zigbee 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，路由節(jié)點(diǎn)分配給這個(gè)終端唯一的地址。終端在平時(shí)狀態(tài)處于低功耗休眠狀態(tài)，定時(shí)喚醒進(jìn)行溫度采集并上傳給父節(jié)點(diǎn)，利用中斷隨時(shí)接收父節(jié)點(diǎn)的命令和其他操作，工作流程如圖4所示?？傊K端處于超低功耗運(yùn)行狀態(tài)，這樣做的目的是因?yàn)榻K端無(wú)外接電源，只能電池供電為了節(jié)能增強(qiáng)續(xù)航時(shí)間同時(shí)這也是為了達(dá)到采空區(qū)監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。

圖4 終端子節(jié)點(diǎn)工作流程

4.2 路由節(jié)點(diǎn)工作流程

路由節(jié)點(diǎn)提供外置電源供電，隨時(shí)處于工作狀態(tài)，因?yàn)樗袚?dān)著網(wǎng)絡(luò)的搭建、新節(jié)點(diǎn)的加入、老節(jié)點(diǎn)的刪除還有將終端節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和上傳給后臺(tái)上位機(jī)。其主要工作流程如圖5 所示。

圖5 路由節(jié)點(diǎn)工作流程

5 預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的建立做測(cè)試，溫度數(shù)據(jù)在傳輸首先是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加入，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入時(shí)都會(huì)主動(dòng)向路由節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)一個(gè)地址然后路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)前文所述的路由算法給予分配節(jié)點(diǎn)然后發(fā)送應(yīng)答報(bào)文給這個(gè)新加入的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到應(yīng)答報(bào)文后開(kāi)始注冊(cè)本節(jié)點(diǎn)信息，注冊(cè)成功后節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中。節(jié)點(diǎn)加入過(guò)程如圖6 所示。

圖6 新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)過(guò)程

對(duì)于Zigbee 模塊在井下的應(yīng)用，由于其工作環(huán)境非常惡劣所以要求必須保證在100 m 的距離之內(nèi)其丟包率在3%以下才能確保裝置的實(shí)用價(jià)值。選擇實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為中煤平朔集團(tuán)四號(hào)井工礦采空區(qū)巷道，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 的發(fā)送功率為0 dB 接受功率靈敏度為-90 dB，這樣可以最大程度上降低功耗，測(cè)試結(jié)果丟包率都在2%以下滿足丟包率3%以下的實(shí)用要求。當(dāng)然在實(shí)際的采空區(qū)中這些節(jié)點(diǎn)應(yīng)該說(shuō)大部分都是被掩埋的而且采空區(qū)的巷道一般都不是直線型巷道，這就要求節(jié)點(diǎn)的穿透及繞行能力必須達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求，所以選取五個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，這五個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID 為46、53、147、234、304，將以上節(jié)點(diǎn)掩埋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，掩埋深度為3 m，五個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相距距離都在60 m 左右，穩(wěn)定測(cè)試時(shí)間為30 天，溫濕度環(huán)境都基本維持一致，傳輸頻率為兩小時(shí)采集一次溫度，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 丟包率測(cè)試

表2 穿透及繞行能力測(cè)試

通過(guò)表數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，距離較遠(yuǎn)又沒(méi)有中間節(jié)點(diǎn)過(guò)渡時(shí)通信距離受限制，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相距較遠(yuǎn)但是中間有工作的父節(jié)點(diǎn)完全可以保證通信的可靠性，說(shuō)明在實(shí)際施工過(guò)程中需要給系統(tǒng)一定的冗余度這樣系統(tǒng)工作會(huì)更加穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種采空區(qū)溫度監(jiān)測(cè)Zigbee 自組網(wǎng)技術(shù)，闡述了硬件及軟件的構(gòu)成方式，利用改進(jìn)的路由算法對(duì)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址自動(dòng)分配，再加上簡(jiǎn)單可靠的硬件結(jié)構(gòu)，超低功耗器件的使用，對(duì)于井下采空區(qū)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以提升一個(gè)檔次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文構(gòu)建的系統(tǒng)其傳輸距離遠(yuǎn)，通信穩(wěn)定性可靠，系統(tǒng)適度的冗余度能夠大大提高監(jiān)測(cè)的可靠性，為井下采空區(qū)溫度監(jiān)測(cè)做出了卓越貢獻(xiàn)。