基于ZigBee的礦井環境監測系統的設計*
*基金項目：甘肅省教育廳2021年度高等學校創新基金項目，項目編號：2021B-511；酒泉職業技術學院校級科研項目，項目編號：2022XJZXM02
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202307/448237.htm隨著煤礦安全生產的不斷發展，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，以提升煤炭企業整體管理水平，增強企業競爭力，提高經濟效益，為煤炭行業健康可持續發展奠定基礎。
在進行井下作業時，為了保證安全生產和人員的身體健康，必須對井下巷道內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，實現對井下環境參數的采集與控制，從而實現有效控制和減少安全事故的發生[2]。
1 系統硬件設計
1.1 系統硬件總體設計
系統采用STM32 單片機作為核心控制器，通過外圍接口模塊來完成數據采集、數據傳輸等功能[3]。主要由ZigBee 網絡節點, 主控制器和傳感器構成。其中傳感器是采集數據并進行數據處理，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。主控制器根據處理后的信息控制各模塊工作，實現對整個控制系統運行狀態的自動控制。采用ZigBee 技術建立井下無線傳輸鏈路，實現了數據傳輸功能，在保證安全性的前提下提高傳輸速度，降低了通信費用。本系統具有體積小、質量輕、功耗低、成本低以及可擴展能力強等優點；通過采用Zig Bee 技術對井下環境進行監測并將數據傳輸到單片機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]。系統硬件設計如圖1 所示。
圖1 系統硬件框圖
1.2 主控制器模塊
礦井環境監測系統的主控制器采用STM32F103C8T單片機，在監控過程中，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）在系統中實現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 數字型溫濕度傳感器[6]。它能自動檢測環境溫度和濕度信號，并將數據傳遞給單片機，從而使其對環境條件進行調節控制。具有精度高、靈敏度高、穩定性好等特點，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。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點。其工作原理如下：
1）將數據從主機發送出去；
2）在網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）顯示各種參數設置信息；
2）記錄所需運行環境下所有相關參數。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，通過放大后產生高頻振蕩，從而引起振鈴聲，并將聲音傳入揚聲器。如果環境參數低于或高于設定值，蜂鳴器會發出警報并通知工作人員；如果環境參數在預設范圍內，蜂鳴器則不會報警[8]。蜂鳴器電路圖如圖7 所示。
2 系統軟件設計
2.1 系統軟件開發環境
編程用keil5 軟件編寫,Keil5 采用了面向對象方法開發語言，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據運算，并對結果有很好的控制。它具有強大的圖形用戶界面，能快速創建、編輯及執行應用程序。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工作。
2.2 主程序設計
在整個系統設計過程中，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，并根據用戶需求不同，對系統功能做出相應調整[9]。
首先，系統進行初始化，工作人員設定各個參數的安全范圍。各個傳感器開始采集數據，然后將采集到的井下環境信息（溫濕度、甲烷濃度等）通過ZigBee 模塊發送給主控制器進行分析和處理，主控制器根據接收到的信息來控制各個傳感器執行相應功能。主控制器判斷各個參數的實時值是否在安全范圍之內，若是超過了安全范圍，則會自動啟動報警機制，并向現場人員發出警報。如果在安全范圍內，蜂鳴器不報警。系統繼續工作，采集礦井內部實時環境參數。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運行狀態進行監控。主程序流程圖如圖3 所示。
3 測試與分析
實驗室環境下，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。標準值用專業檢測儀器獲得。實驗數據如圖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，說明了該系統的有效性。
4 結束語
本文提出了一種基于ZigBee 的礦井環境監測系統。介紹了整個系統硬件電路設計以及軟件設計過程。該系統由單片機，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，傳感器模塊實現對井下環境參數（溫度、濕度、甲烷濃度等）進行采集，利用Zigbee 網絡傳輸方式實現遠距離傳輸，ZigBee 模塊將采集到的信息傳送給單片機以實現對井下環境參數的實時監測與管理。從而達到監測人員及時了解井下環境參數變化情況的目的，并且可以實時顯示井下不同區域內的各項監測數據。
實驗結果表明，該系統能夠準確測量甲烷、溫度和濕度等參數，誤差小，滿足測量要求，能夠有效地提高煤礦井下巷道內的環境信息采集效率，可為煤礦生產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的大棚環境監測系統設計[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境監測系統中的應用[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境監測系統[J].壓電與聲光, 2011, 33(4).
[5] 楊偉林.基于無線傳感網的礦井環境監測系統設計[D].包頭:內蒙古科技大學, 2015.
[6] 畢思武.基于GPRS的遠程礦區多媒體環境監測系統[C]//中國科協年會,2007.
[7] 張衛東.基于DS18B20的礦井多點溫度監測系統研究[J].2010.
[8] 陳文文, 韓杰, 鄒波, 等.礦井環境指標綜合移動監控預警平臺[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境監測系統中的應用研究[D].阜新:遼寧工程技術大學,2004.
（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年6月期）
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