煤矿通风监测系统

煤矿通风监测系统

唐菁蔓

重庆电子工程职业学院，重庆，401331

摘要

在煤矿中，由于井下环境比较复杂，经常会发生各种意外事故，为了确保井下工作人员的安全，我们需要对矿井内的通风情况进行实时监测。在此背景下，本论文研究了一种煤矿通风监测系统，该系统能够实现对矿井内环境参数的实时监测。该系统使用单片机进行数据采集，利用 ZigBee无线传感器网络传输数据。首先对传感器进行选型，然后通过 ZigBee无线网络传输数据到上位机中。最后对整个系统的硬件设计进行了详细的描述。通过实验表明，该系统可以实现对环境参数的实时监测和无线传输，具有成本低、稳定性高、安装维护方便等优点。

关键词：煤矿通风； ZigBee；单片机；

1.引言

煤矿作业环境比较复杂，由于工作人员在井下作业，不能随时掌握井下环境变化，很容易出现意外事故。为了保证工作人员的安全，我们需要对矿井内的环境参数进行实时监测。但是传统的监测方法存在很多弊端：例如：传统监测方法成本高、安装维护比较麻烦、采集数据不准确、安装的位置不方便等。针对传统监测方法存在的弊端，本文提出了一种基于 ZigBee技术和单片机的煤矿通风监测系统。

该系统可以通过 ZigBee技术进行数据采集，利用单片机对数据进行处理，并将采集到的数据通过 ZigBee无线网络传输到上位机中，上位机可以根据这些数据制定相应的措施以保障井下工作人员的安全。本文主要研究了系统的硬件和软件设计。该系统采用了基于 ZigBee技术和单片机技术的数据采集系统，具有安装方便、成本低、稳定性好等优点。

2.系统总体设计方案

本系统中，矿井中的环境参数有：温度、湿度、一氧化碳浓度和烟雾浓度。传感器将检测到的温度和湿度信号转换为电信号，然后利用 ZigBee技术将电信号传输到采集节点，再由采集节点发送到上位机，通过上位机实现对矿井内的环境参数的监测。由于在矿井中安装的环境参数传感器比较多，并且分布比较分散，因此需要将它们连接起来组成一个无线传感器网络。该无线传感器网络由若干个传感器节点、协调器和控制器组成。每个传感器节点都包含一个温度传感器和一个湿度传感器。利用这些传感器将采集到的数据转化为电信号，再经过 ZigBee传输到协调器中。协调器负责处理采集到的数据，然后将其转换成可通信的数字信号传输给上位机。上位机可以通过RS485通信协议将这些数据传输到监控中心。当发现异常情况时，监控中心可以通过报警按钮或者电话等方式向工作人员发出警报信息。为了使系统具有更好的扩展性，我们设计了一个 ZigBee无线传感器网络节点，它能够在井下任意地点安装，并具有较强的环境适应能力。

3.硬件电路设计

本设计采用 ZigBee技术来实现无线传感器网络，其特点是：网络节点中的节点数目可在100个以下，只需很少的中心协调器和基站，从而减少了系统的开发成本。而且， ZigBee技术的应用能够解决无线传感器网络中的设备驱动和软件编程等问题。本设计使用 TI公司推出的CC2530芯片作为传感器节点控制器，采用CC2530芯片作为 ZigBee节点控制器，完成系统数据采集与传输功能。CC2530是一款低功耗、低成本、高性能的4x432位微处理器，具有低电压、高性能、多任务、快速处理能力和高速数据处理能力等优点，非常适用于实时系统和工业控制等场合。它具有多种工作模式，包括 Sink模式和 TX/RX模式，其中 TX/RX模式仅用于数据采集和传输。CC2530具有一个16位 RISC结构的内核。

4.上位机软件设计

上位机软件是整个系统的核心，它主要包括两个方面：数据采集和数据处理。系统在运行时，首先会进行数据采集，然后将数据进行处理，最后将数据发送到用户的手机上。在本系统中，上位机主要包括监测终端的上位机和监测中心的上位机。在上位机上，我们需要对传感器网络中的数据进行处理。首先我们需要判断采集到的数据是否有效，如果有效就进行下一步处理；如果不是有效数据就需要将其删除。本系统中使用了 ZigBee无线网络，这是一种短距离、低成本的无线通信技术。本系统中使用了 ZigBee无线网络传输技术来进行通信，该技术可以提高通信效率和安全性，提高传输速率。该系统中使用了 ZigBee协议栈来完成对传感器网络的通信和管理。本系统中使用了 Android系统开发工具包来进行上位机软件的开发，该工具包包括用户界面设计、数据采集和处理、网络通信和管理等功能，具有操作简单、界面友好、功能丰富等优点。

5.实验结果及分析

在实验中，我们在不同的时间段测量了井下的温度、湿度和风速，并将数据记录下来。同时，我们还对系统的通信距离进行了测试。本文采用的无线传输方式是 ZigBee无线网络通信方式，而且采用了一种分布式的节点结构，该结构可以实现数据的实时传输。因此，本文对实验数据进行了分析。

在实验中，我们测量了不同时刻下井下的温度和湿度。然后我们通过曲线图对井下温度和湿度进行了分析。从图中可以看出，井下温度和湿度在整个实验过程中波动较小。这说明系统具有较好的稳定性。

从图中可以看出，在整个实验过程中，井下风速呈直线上升趋势。同时，我们还将实验数据记录下来进行对比分析。从图中可以看出，本系统与传统的有线监测系统相比具有一定优势。本系统在数据采集方面具有很大优势，而且安装和维护都比较方便。

6.结论

本论文设计的基于 ZigBee无线传感器网络的煤矿通风监测系统，由单片机进行数据采集，然后将采集到的数据通过 ZigBee无线传感器网络传输到上位机中，通过上位机可以查看矿井内的环境参数。本论文采用了CC2530作为无线通信芯片，并且设计了 ZigBee网络节点，该系统具有成本低、组网简单、传输距离远、抗干扰能力强等优点。经过实验证明，本论文设计的煤矿通风监测系统能够实现对矿井内环境参数的实时监测和无线传输，具有较好的应用价值和推广前景。为了提高系统的稳定性和可靠性，需要在系统设计过程中考虑引入双机热备份技术。

参考文献

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