基于ZigBee物联网无线技术的矿井安全综合监测系统
基于ZigBee的智能矿井安全联动系统设计
2021.07设计研发基于Z i gBee 的智能矿井安全联动系统设计侯健，蒋明君，王斌，何炎灵(民办四川天一学院 信息工程系，四川绵竹，618200 )摘要：基于ZigBee 的智能矿井安全联动系统通过采集端的传感器实时釆集数据，将数据传给主控制器端，主控制器端再将采集数据传给PC 端和Android 端,同时跨平台两端可以通过用户交互界面对数据进行处理、显示和控制。
本系统 可以保证矿井工作人员的环境安全。
关键词：矿井安全；智能系统；物联网Design of intelligent mine safety linkage system based on ZigBeeHou Jian, Jiang Mingjun, Wang Bin, He Yanling(Department of information engineering, Sichuan Tianyi University, Mianzhu Sichuan, 618200)Abstrac t ：The intelligent mine safety linkage system based on ZigBee collects data in real time by sensors at the acquisition end, and transmits the data to the main controller, which then transmits the collected data to PC and Android. At the same time, the data can be processed, displayed and controlled through the user interaction interface at both ends of the platform. The system can ensure the environmental safety of mine staff.Keywords ；Mine safety;Intelligent system; Internet of things0引言根据2020年国家煤矿安监局重点强化矿井安 全治理五大安全问题，防止矿井安全风险，解决重大 安全事故，推动全国矿井安全生产稳定生产。
ZigBee无线定位系统在矿井安全定位中的应用
基于Zigbee技术的矿井人员无线定位系统[导读] 煤矿生产中最危险的就是瓦斯爆炸了，这是现在煤炭企业最担心的一个问题了，随着ZigBee无线定位系统在矿井安全定位中的应用，这种安全隐患已经得到了很好的解决，发生瓦斯爆炸的几率也会随之降低，也做了很好的预防工作。
煤矿生产中最危险的就是瓦斯爆炸了，这是现在煤炭企业最担心的一个问题了，随着ZigBee无线定位系统在矿井安全定位中的应用，这种安全隐患已经得到了很好的解决，发生瓦斯爆炸的几率也会随之降低，也做了很好的预防工作。
国内煤矿行业中，多数企业都已经或正在进行生产调度、监测监控等系统的建设，这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用。
井下矿工定位是这些安全生产调度和救援中不可或缺环节，ZigBee RF设备中内嵌的定位引擎与GPS相比，有更多的优越性，定位引擎在单芯片RF收发器中与 MCU集成在一起，成本不及GPS 硬件的1/10，功耗也只是GPS硬件的一小部分。
该种内嵌的定位引擎使用 ZigBee网络的 RF 基础设施来计算设备或人所处的位置，只要有现成的 ZigBee网络，就无需安装移动的接收天线。
非常适合条件恶劣在矿井下。
1.Zigbee技术概述1.1 ZigBee简介ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术;ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格;ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层;ZigBee无线可使用的频段有3个，分别是2.4GHz 的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是 16、1、10个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。
1.2 定位引擎技术定位引擎根据无线网络中临近射频的接收信号强度指示(RSSI)，计算所需定位的位置。
其依据的理论是：当采用大量的节点后，RSSI的变化最终将达到平均值。
基于ZigBee技术的煤矿井下安全监控系统设计
２术 的煤矿 井下安全监控 系统设 计
王 彬
（ 淮南矿业集 团顾桥矿综采二 队 ，安徽 淮南 ２ ３ ２ ０ ０ １）
摘 要 ：提 出了一种基 于 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无线 网络应 用在煤矿 井下安全的 系统 的设 计，与现有 的有 线设备 相结合 ，实现 了井下动态 的实时监 测。终端 节点采集到的有关井下的温度、湿度 、气体 的浓度等数据信 息通 过 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无 线网络 送达到 主控 芯片，经处理后 ，数据信 息被送达到监控 中心 ， 实现安 全监控 。无线传感 系统的使用，使得 系统的维护简单化、方便化 ，同时成本降低 。 关键词 ：煤矿 ；ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ无线技 术；井下监控 系统；动态监 测
０ 。 前言
它能够创建 一个强 大的 网络节点 ，来满足 ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无线技术 的需 求 ， 井下 安全监控系统指 的是 实时监 控煤矿井下的环境参 数 ，为地上 且较 之于其他 方案所花 费 的成 本低了许 多。此外 ，Ｃ Ｃ ２ ５ ３ ０ 转换运 行 和地 下监控者提供数据参 数。及时分析采集到 的环 境参数 ，预防灾难 模 式能 够使系统 的 功耗降低 ，使之 适合在 条件 等复杂 的井 下环境 工 的发生 ；如若灾难 已经发生 ，及时采取相应的措施进行救 灾工作 ，防 止灾难 继续 扩大 ，同时为井下 工作人员提供指示 ，将 损失 降到最低。 不 同功能 的传感器 分别 采集 数据后 ，通过 ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 无 线 网络不 断 近年来 ，随着 技术的进步 ，国家对煤矿 安全 预防工作 的要 求也越 来越 传送至 ￥ ３ Ｃ ２ ４ １ ０ ，检 测参数是否在 安全 范围 内，如有 异常 ，主控芯 片 高 。就 目前而 言 ，井下安全系统 多采 用有线信号传输 ，使得 整个 系统 发 出报警信 息并 发送至 地上 工作人 员做进 一步 的处理 。整个 网络 由 较为固定 ，移动性不好 ，且存在较大局 限性 。 总舵 ｚ ｉ ｅ ｅ 节点组 成 ， 各种 功能的传感器 即终 端节点采 集数据信息 ， 煤炭在 世界能源中有着举足轻 重的地位 ，矿井环境极其 复杂 ，如 传送 到协调器节点 ，最后数据交 由 ￥ ３ Ｃ ２ ４ １ ０ 进行分 析处理 。 若出现事故 ，将直接对生命造成 威胁 。因此 ，煤矿井下安全 系统的设 计有着重大 的意义 。实际上 ，由于井 下环境复杂 ，并且工作 量较 大 ， ４ 软件设计 给安全 监控 带来 一定程 度上 的困难 。本 文使 用 ｚ ｉ ｅ ｅ 无线 网络 ，将 系统的软件设计 大致分为两大部分 ：一部分 是无线网络传感 的设 传感器采集 到的数 据以无线传输 的形式传送 到安全监控系统 的主控 芯 计 ，主要包括数据 的采集 、传输、 自动将节点加入 网络、定位 以及指 片 ，工作人员及 时查看处理过的数据 ，采取 相应的方法最大肯能避 免 令的接收等 ；另一部分是主控芯片的设计 ，主功能是根据 ｚ ｉ 邸ｅ ｅ 无线 事故 的发生 ，有效的解决了布线 困难的 问题 。 网络传输过来 的数 据来监测它们是否在安全 指标以内 ，若有异常 ，立 即报警 ，并将数据传至地上的安全监控中心。 ｚ ｉ ｅ ｅ 无线传感模块 工作的大致流程是首先对程 序进行初始化 ， Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 技术是一 种以短距离传输 、低传输 速率、低功耗等为特 点 启动定时器 中断；若触发 中断 ，那么分布在井下 的各类 功能的传感器 的无 线通讯技术 ，一 般被 广泛应用在在工业控 制中 ，在许多传感器之 开始采 集数据 、转换 后经 由 ｚ ｉ 邸ｅ ｅ 无线 网络送达主控芯片 ，此时查看 间相互 协调实现通信 。 在网络层方面 ， 可 以采用星形 网络和 网状拓扑 ， 主 控芯片有无发布指令 ，如 有命 令则立即执行 ，反之则 重复查看定时 根 据节 点功能的不 同 ，将节点 分为中央协调 器 （ Ｃ ｏ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｔ ｏ ｒ ）、路 由 器是否被触发 ，若被 触发 ，再进行数据采集 ，以此循 环下去 ，确保井 节点 （ Ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｒ ）和终 端节 点 （ Ｆ Ｆ Ｄ）。Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 除以上提 到 的优点 外， 下工作 安全。 还具 有可靠性高、网络容量大等特点 。 主控芯片部分 的工作流 程大致如下所述 ：程序初始 化后 ，主控芯 片接收经无线 网络传输 的通 过传 感器采集 的数据 ，并对 这些数据进行 ２ 煤矿安全监控 系统 的简述 分 析 ，判断它们是否在安全 范围以 内，如有数据超 出安全范围 ，立即 本 文所设计的煤矿井 下安全监控系统是将一些特 定功能传感器采 发 出报 警信号 ，并采取相应措施 ，将井下工作人员转移 到安全地带 ， 集 的参数如 瓦斯浓度 、温度 、湿度等通过 ｚ ｉ ｅ ｅ 无线传感 网络传送 到 同时 ，将数据传送到地上 的安全 监控中心 ，地上工作人 员可 以做进一 安全 监控基站 ，经过 分析 处理 ，判断数据是否在 安全标准之 内，若有
基于物联网技术的采矿安全监测系统设计与实现
基于物联网技术的采矿安全监测系统设计与实现物联网技术的发展使得采矿行业在安全监测方面有了新的突破。
基于物联网技术的采矿安全监测系统设计与实现旨在通过无线传感器网络和云计算技术，实现对采矿现场的实时监测、预警和智能管理，以提高采矿作业的安全性和效益。
一、系统设计与组成基于物联网技术的采矿安全监测系统主要由传感器节点、通信模块、数据采集与处理模块、云端服务器和应用软件构成。
1. 传感器节点：传感器节点是系统的基础，负责采集监测数据。
根据实际情况，可以包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器、振动传感器等多种传感器。
2. 通信模块：通信模块负责将传感器节点采集到的数据传输至数据采集与处理模块。
常见的通信模块包括无线传感器网络模块和蜂窝网络通信模块。
3. 数据采集与处理模块：数据采集与处理模块接收传感器节点传输的数据，并进行处理和分析。
该模块负责实时监测工况数据、预警信号的产生和传输。
4. 云端服务器：云端服务器是系统的核心，承载着数据存储、处理和分析的重任。
通过云计算技术，可以实现大规模、高效的数据处理和分析。
5. 应用软件：应用软件为用户提供监测数据的可视化界面、预警信息的推送以及报表生成等功能。
二、系统功能与实现基于物联网技术的采矿安全监测系统实现以下主要功能：1. 实时监测：系统通过传感器节点持续采集监测数据，并传输至数据采集与处理模块。
监测数据包括温度、湿度、气体浓度、振动等。
数据采集与处理模块对数据进行实时处理和分析，为采矿现场提供及时准确的监测结果。
2. 预警与报警：系统根据预设的警戒值和安全规范，通过数据采集与处理模块对采集到的数据进行实时监测和分析，对异常情况进行预警和报警。
预警信息可以通过短信、邮件或应用软件推送给相关人员，及时采取安全措施。
3. 远程控制：系统可以通过云端服务器实现对采矿设备和机器的远程控制，如远程启停设备、远程调整参数等。
这样可以减少人员风险，提高生产效率。
4. 数据分析与决策支持：采矿安全监测系统通过云计算技术将大量的监测数据进行存储、分析和挖掘，为采矿企业提供决策支持。
基于zigbee网络的矿井安全监测报警系统200712711542699398
目录0．引言 (2)0.1 需求分析 (2)0.2系统功能 (2)1．系统总体设计 (3)1.1 系统设计框架 (3)1.2 系统功能模块 (3)2．基于zigbee的无线数据收发模块 (4)2.1无线数据收发框架 (4)2.2框架图中各功能模块分析 (5)2.3传感器软件设计 (6)3．信息接收处理终端设计部分 (7)3.1硬件组织结构 (7)3.2键盘控制模块 (8)3.3 LCD显示模块 (8)3.4串口数据采集部分 (9)3.5外存扩展部分 (10)3.6时钟发生部分 (10)3.7供电部分 (11)3.8 CDMA模块 (11)3.9 arm软件设计 (12)4. 技术特色 (13)5．参考文献： (13)基于zigbee网络的矿井安全监测报警系统雷晓剑高民芳谢东觉凡金龙赵远（南京大学电子科学与工程系）摘要：无线网络在工业应用上是大有作为的，本次开发的目的就是将无线网络与工业控制机（STR系列开发板）相结合，为矿业服务，形成一个自动安全控制的闭合系统，但这里将这个系统的控制反馈部分简化为报警输出（由蜂鸣器实现）。
无线网络负责数据的采集及传输，而工业控制机则对收集到数据进行处理、判决，如有险情除了给出必要的报警信号还可以采取一些安全措施，其实这在现实中是重要的，如打开通风要道，点亮应急通道照明灯，由于实验条件限制操作这些在具体开发中被简化掉了。
开发以后的系统是面向应用的，在不同的应用场合只要相应改变传感器类型就可以实现在多中场合下的类似功能。
关键词：zigbee无线网络工业控制嵌入式软件开发0．引言随着IT业的发展，许多行业都开始走向信息化、自动化。
嵌入式作为一种重要的技术在工业控制，消费类电子产品中得到了广泛的应用，为人们的生活、工作提供了许多便利。
煤炭作为一种传统的能源，对社会的发展有着相当重要的作用。
为了保障矿工的人身安全，减少煤矿事故，使得传统工业走向智能化，设计以ARM和Zigbee技术为核心的甲烷气体浓度无线监测报警系统。
基于ZigBee技术的矿井监控系统设计
基于ZigBee技术的矿井监控系统设计陈亮;李敬兆【摘要】为更好地对井下煤矿开采所存在的安全隐患进行全面监控，提出了一种将ZigBee无线监控技术应用于建设矿井监控系统的设计方案。
该系统主要由两部分组成，分为传感器监控分站下位机系统和地面监控中心上位机系统。
在上位机与下位机之间，用ZigBee无线技术对井下现场的温度、湿度、瓦斯浓度等环境参数进行实时采集和数据传输、显示。
本文详细介绍了该系统的硬件结构组成与软件设计，并在模拟环境下进行了测试运行．实际结果验证了该系统的有效性和准确性，表明了该技术与有线通信相比节约成本、安装方便、易于扩展。
【期刊名称】《山东农业工程学院学报》【年(卷),期】2017(000)009【总页数】4页(P30-33)【关键词】ZigBee 传感器无线网络 CC2530 监控【作者】陈亮;李敬兆【作者单位】安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南232001【正文语种】中文【中图分类】TD76煤矿行业的首要任务是保证煤矿产业的安全生产，矿井下环境复杂，容易发生事故，需要一个准确有效的监控平台对矿井环境实时监控，将安全事故消灭在萌芽期。
监控分站在矿井监控中承担着重要角色，主要将井下各监控模块采集到的有效信息传输给地面控制中心，对矿井环境进行监控。
[1]由于井下监控范围广、参数多，外加环境复杂多变与危险因素等影响，传统的井下电缆成本高、效率低、结构单一，不易变化与扩展。
ZigBee无线技术能够克服传统有线通信的不足，其网络容量大，组网灵活，适合应用于监控领域。
与 BlueTooth、Wi—Fi、IrDA等无线传输协议相比，具有以下几个优势：功耗低，ZigBee网络节点设备工作周期较短，收发数据功率低，且采用了休眠模式；成本低，ZigBee协议栈的设计比较简练，研发成本相对较低，软件实现比较简单；传输可靠抗干扰性强，通信方式采用的是DSSS扩频，与RFID的宽带通信和433～915 MHz的FSK通信相比，具有抗干扰性强的特点；速度快距离远，ZigBee协议2.4 GHz物理层，速度为250 kbps，传输距离可达30米到70米，若扩大信号，传输距离可超过100米。
基于Zigbee的矿井安全监测系统设计
基于Zigbee的矿井安全监测系统设计李绍民;董玉华【期刊名称】《大连民族学院学报》【年(卷),期】2014(000)005【摘要】设计了一种基于ZigBee的矿井安全监测系统。
实现了无线网络传输数据，终端节点实时采集数据信息，手持控制终端实时显示数据，手持控制终端灵活控制监控节点，遇险自动发送报警短信等功能。
测试结果显示，低功耗、稳定性好、监控灵活，弥补了传统监测系统的不足。
%In this paper, a mine safety monitoring system based on ZigBee is designed. In the system the data information is transmitted by ZigBee wireless network, is real time collected through the terminal node and can be displayed on the handy terminal. The handy terminal can control the monitoring node flexibly, and can achieve the function that alarm message can be sent automatically when dangerous, and so on. The test results show that the system has low power consumption, good stability, flexible monitoring, and these advantages offset the absence in the traditional systems.【总页数】5页(P512-516)【作者】李绍民;董玉华【作者单位】大连民族学院信息与通信工程学院，辽宁大连116605;大连民族学院信息与通信工程学院，辽宁大连116605【正文语种】中文【中图分类】TN919【相关文献】1.基于Zigbee的无线传感器网络在矿井安全监测中的应用 [J], 李辉;张晓光;高顶;孙正2.基于ZigBee的塔吊安全监测系统设计与实现 [J], 孙凡晴;宋传旺;王静;谢帅虎;吉爱国;吴则举3.基于ZigBee技术矿井安全监测系统的设计 [J], 王伟4.基于ZigBee和3G技术的线路所安全监测系统设计 [J], 侯捷;孙允波;冷军5.基于信息融合与ZigBee技术的矿井安全监测系统设计 [J], 杨轲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于ZigBee技术矿井安全监测系统的设计
基于 ZigBee 技术矿井安全监测系统的设计
摘 要：本文采用基于 ZigBee 网络协议无线传感器网络能够保证数据无线传输的可靠性 、 准确性弥补了传统的有线网络的不足 与缺陷， 提高了煤矿井下瓦斯监测的精确性， 并随着矿井生产过程中新工作面的开采和旧巷道的废弃， 只需要增加、 减少或移动无线 无线传感器网络的拓扑结构基本不受其影响 。同时也提高了煤炭生产安全性， 加快煤矿信息化、 智能化进程。 传感器节点， 关键词：无线传感器；ZigBee；安全监测
doi： 10． 3969 / j． issn． 1008 － 0155． 2012． 11． 047 中图分类号： F403． 6 ； TD76 文献标志码： A 文章编号： 1008 － 0155 （ 2012 ） 11 － 0075 － 01
0 前言 目前煤炭在我国能源格局中占据主导地位 ，有着 重大的战略意义， 然而我国的煤矿事故死亡总人数却 是世界上其他主要采煤国家煤矿事故死亡总人数的四 倍以上。要从根本上减小在高危险环境下作业的危险 性， 先进的科学技术是不可或缺的， 尤其是借助于嵌入 式技术和无线网络通信技术进行有效的管理和监测 。 1 基于 ZigBee 无线传感器网络简介 ZigBee 是一种近来新兴的短距离、 低速率以及低 功耗的全新无线网络数据通信技术。 主要用于近距离 无线通信连接， 它有自己的无线通信标准， 在数千个微 小的传感器之间可以相互协调实现通信， 这些传感器 功耗都很低， 以接力的方式将数据从一个传感器通过 无线电波传到另一个传感器， 是一种效率非常高通信 技术， 基于 ZigBee 的无线传感器网络系统一般包含传 感器节点、 网关、 汇聚节点即中继器和中央控制机。 传 感器节点一般大量随机地布置在监测区域内部或其附 近。通过自组织方式大量传感器自发构成网络。 传感 器节点采集到的数据通过初步的分析处理， 传送到监 测区域网关中心， 网关对数据进行压缩融合发送到汇 集节点， 汇集节点通过对信号加强， 最终传送到中央控 制机。用户可以通过中央控制机对无线传感器网络进 行管理． 发布监控任务以及收集所需监测数据 。 2 系统的总体方案 由于煤矿井下的无线传感器网路拓扑结构易发生 动态变化， 数据转发多跳的特点， 采用层次性的网络结 构可以确保网络的通畅与减少能量消耗 。一个适用煤
基于物联网技术的智能矿井安全监测与预警系统设计
基于物联网技术的智能矿井安全监测与预警系统设计随着社会的发展和科技的进步，矿井安全问题已经引起了人们的广泛关注。
为了保障矿工的生命安全和矿井的正常运行，基于物联网技术的智能矿井安全监测与预警系统应运而生。
本文将通过对矿井安全监测与预警系统的设计与研究，解决当前矿井安全问题的难题。
1. 智能矿井安全监测系统的概述智能矿井安全监测系统是基于物联网技术的一种综合性安全监测系统。
它通过无线传感器网络、数据采集器、数据传输和云计算等技术手段，对矿井的各项安全指标进行实时监测和数据分析，实现对矿井安全状态的全面掌控和预警。
2. 系统结构与关键技术智能矿井安全监测系统的结构主要包括传感器节点、数据采集器、数据传输网络和数据处理平台等组成部分。
其中，传感器节点负责采集各项安全指标数据，并将数据传输给数据采集器；数据采集器负责将采集到的数据传输给数据传输网络；数据传输网络负责将数据传输到数据处理平台；数据处理平台负责对接收到的数据进行处理、分析和预警。
关键技术包括无线传感器技术、通信技术、数据采集与传输技术以及云计算技术。
无线传感器技术通过布设传感器节点，实现对矿井内部和周边环境的实时监测；通信技术确保数据的高效传输和远程监控；数据采集与传输技术负责将采集到的数据传送到数据处理平台；云计算技术则提供了对庞大数据集进行存储、分析和挖掘的能力。
3. 安全监测与预警参数智能矿井安全监测系统需要监测的参数包括但不限于瓦斯浓度、温度、湿度、氧气浓度、风速、风向等。
这些参数是矿井安全运行的重要指标，通过监测这些参数的变化，可以及时发现矿井内存在的安全隐患，并采取相应的应对措施。
4. 数据处理与分析数据处理与分析是智能矿井安全监测与预警系统的重要环节。
通过对采集到的数据进行实时处理和分析，可以快速准确地判断矿井的安全状态。
同时，数据处理与分析还可以为决策提供科学依据。
在数据处理与分析方面，可以运用机器学习和人工智能等技术。
通过建立预测模型和学习算法，对历史数据进行建模和分析，可以预测未来的安全状态，并及时发出预警。
基于ZigBee的矿井环境监测系统的设计
图3 温度传感器电路
1.4 甲烷采集模块 甲烷采集模块采用 MQ-4 气体传感器，可实时检测
甲烷含量。MQ-4 气体传感器所用的气敏材料是二氧化 锡（SnO2），在洁净空气中导电率较低。由于其化学稳 定性好，对温度变化不敏感，因此它具有很高的灵敏度 和选择性，特别适合于测量甲烷等参数。电路原理图如
图5 ZigBee通信电路
1.6 显示块 显示模块采用 LCD1602 显示屏，主要作用是： 1）显示各种参数设置信息； 2）记录所需运行环境下所有相关参数。电路原理
图如图 6 所示。
36 ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2023.6
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图4 甲烷采集电路
1.5 ZigBee通信模块 ZigBee 技术是在 20 世纪 90 年代中期由美国提出的
一种无线射频传输技术，它具有体积小、功耗低和抗干 扰能力强等优点。其工作原理如下：
1）将数据从主机发送出去； 2）在网络中建立一个与主机连接的无线信道； 3） 当 主 机 收 到 该 信 息 时， 通 过 该 信 号 向 从 机 传 送 相 应 的 控 制 命 令 或 指 示。ZigBee 模 块 电 路 采 用 了 LRF215A 单片机控制芯片 [7]。电路原理图如图 5 所示。
图 4 所示。
图2 单片机最小电路图
1.3 温湿度采集模块 温 湿 度 采 集 模 块 采 用 DHT11 数 字 型 温 湿 度 传 感
器 [6]。它能自动检测环境温度和湿度信号，并将数据传 递给单片机，从而使其对环境条件进行调节控制。具有 精度高、灵敏度高、稳定性好等特点，可以满足不同场 合对温湿度敏感程度要求的需要，并能适应各种环境下 工作条件及使用要求。电路原理图如图 3 所示。
基于ZigBee的矿井安全监测系统设计
2 ZigBee 技术
2.1 Zigbee 技术简述 .................................................. 10 2.2 ZigBee 协议 ...................................................... 11 2.3 ZigBee 协议的网络层 .............................................. 13 2.3.1 网络设备类型 ............................................... 13 2.3.2 拓扑结构 ................................................... 15 2.3.3 建立和维护网络 ............................................. 16 2.3.4 编址 ....................................................... 20 2.3.5 网络层的数据通信 ........................................... 21 2.4 ZigBee 协议的应用层 .............................................. 22 2.4.1 设备和服务发现 ............................................. 22 2.4.2 绑定管理 ................................................... 23 2.4.3 网络管理 ................................................... 23 2.4.4 OSAL 操作系统 ............................................... 24
基于ZigBee的煤矿监控系统的设计
基于ZigBee的煤矿监控系统的设计【摘要】针对恶劣的煤矿生产环境和事故救援的需求，提出了一种基于ZigBee的安全监控系统。
该监控系统主要以CC2530和NRF24LE1为核心，集矿井人员定位和瓦斯检测于一体。
该系统性能稳定，技术可靠，设计简单实用。
能够满足当前矿山检测和监控需要。
【关键词】ZigBee；CC2530；矿山监测；NRF24LE11.引言现有的煤矿安全监控系统存在很多问题：（1）监控节点位置相对固定，存在测量盲区；（2）采用有线网络，布局不便，成本较高且不易扩展；（3）定位缺陷，主要采用GPS定位技术，其功耗大、成本高且抗干扰能力不强；（4）接口兼容性差，通信协议不完善。
所以，有线定位网络难于达到动态全方位监控的目的[1]。
2.系统结构与工作原理针对以上煤矿安全监控系统存在的问题，本文提出了一种基于ZigBee的井下人员定位和瓦斯监测系统。
该监控系统包括移动节点、数据采集节点、井下数据采集总站和上位机。
系统结构图如图1所示。
每个移动节点都有唯一的ID，矿工随身携带便携式移动节点在巷道里活动，移动节点每隔一定时间将ID信息发送给附近的数据采集节点。
数据采集节点固定在巷道里的相应位置，定时将接收到的ID信息和传感器检测的瓦斯浓度数据发送给井下数据采集总站。
数据采集总站将接收的数据通过光纤传送至井上监控室的上位机。
实现矿工人员的时时定位和瓦斯浓度的时时检测。
3.硬件电路设计由于井下巷道纵横交错，环境复杂，有时巷道长达数公里，这给井下各个数据采集节点发送信息带来了很大的困难。
所以，本系统各个数据采集节点之间和数据采集节点与数据采集总站之间的信息传输采用无线网络ZigBee技术。
而CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的真正的片上系统。
其结合了德州仪器RF业界领先的黄金单元ZigBee协议栈，业界标准的增强型8051 CPU，系统可编程闪存，8KB RAM和许多其他优良性能。
基于ZigBee的无线传感器网络在矿井安全监控中的应用
基于ZigBee的无线传感器网络在矿井安全监控中的应用近年来，在以人为本的核心思想下，为了进一步保障井下作业人员的生命安全。
我国的矿井安全监测系统也有了长足的长进。
随着电子技术的进步和通讯技术的发展，无线数据传输和远程控制的要求也逐渐被重视起来。
ZigBee的无线传感器网络也逐步应用起来了。
标签：矿井监测；ZigBee；无线通信引言中国是一个世界级的矿业大国，矿业开采的安全问题显得十分重要。
而在现阶段，我国的安全生产管理体系落后，安全生产监控设备相对于发达国家来说依旧有很大的差距。
现有的安全生产监控设备大多以工业总线为基础，虽然其抗干扰性良好，可靠性高，但随着矿下作业的持续，以有线网络组成的安全信息网络不可避免的在灵活性，扩展性，抗突发事故能力等方便遭到了大众的质疑。
为了更好的解决这些问题，无线网络的引入以改善网路变显得顺理成章。
1 安全监控系统的设计基于ZigBee的无线传感器网络安全监控系统包括上位机，手机客户端，协调器节点和终端节点。
由终端节点负责收集井下的温湿度信息和气体浓度信息，通过2.4GHzISM频段无线传输给协调器节点。
再由协调器节点把相关的安全信息传递给上位机。
上位机可以通过系统内部专门架设的局域网与手机移动客户端互连，使得专用地面监控中心可以通过煤矿内部专用局域网与集团公司的总控制中心互连，从而使工作人员能够远程的进行状况进行监测。
主体框架如图1所示。
1.1 ZigBee协调器节点协调器使用了CC2530片上系统中的CC2530-F256芯片。
拥有包括SFR、DATA和CODE三个不同的存储器访问总线和一个调试接口以及一个中断控制器。
内存仲裁起位于系统中心，因为他通过SFR总线，把CPU和DMS的控制器和物理存储器与所有外设链接在一起。
8KB的SRAM具有超低功耗的特点，同时能够在数字部分掉电是保存自己的内容，使得ZigBee的睡眠模式能够得以实现。
同时CC2530-F256中的256KB闪存模块为芯片提供了巨大的非易失性存储空间，程序开发者把程序存储在其中，以保证再次上电后，设备可以再次使用相关的数据。
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无线瓦斯系统
人员定位系统 视频监控系统
无线通信系统
深圳市翌日科技有限公司
ZigBee无线技术
无线组网： 多个设备间通过无线方式组成 无线Mesh网，通过无线中继的 方式将数据上传至服务器
传输可靠： 采用碰撞避免策略，同时 为需要固定带宽的业务预 留专用时隙
时延短： 典型搜索设备时延为30ms， 休眠激活时延为15ms，活动 设备信道接入时延为15ms； 相比较，WiFi需要3s
ZigBee 无线技术
定位： 通过信号强度和场强定 位法实现精确定位
功耗低： 发射功率仅1mW，还可采用 休眠模式；两节5号电池可 工作1-2年
ZigBee与其他无线技术对比
ZigBee WiFi RFID 蓝牙
GSM/CDMA
应用重点 电池寿命 网络大小 传输距离
监测、监控和 100至1000+
机之间相互拨打。 井下手机之间相互发送短信；井上向井下群发短信。 可对系统内所有通话记录进行查询、统计，包括通话双方号
码、使用者姓名、通话时间、通话时长，并可打印为报表。 调度功能：强拆、强插、多方通话。
无线移动瓦斯监测系统
无线移动瓦斯监测系统作为现有安监系统的补充，非取 代。
无线移动瓦斯监测系统将固定在线式系统的自动监测处 理、数据实时上传和便携式瓦检仪的大范围移动监测二者 的优点有效结合在一起，实现了技术创新和应用创新。
翌日ZigBee无线技术
2400-2500MHz
环、星、链
√ √ √ √ √
无线、光纤、电缆 12
简单 上升 进步
其他系统
1900-1915MHz
星、链
√ √
× × ×
光纤、电缆
4 复杂 退市
退市
与WiFi通信对比
ZigBee无线通信系统
WiFi通信
同时通话 基站之间线缆
漫游 无线干扰 数据交换
16部
通信
天
255/65,000
Web、 Email、图像
0.5至5
32
物流、超市
100至1000+ 天
32
10-500+ 10-100
1-10
电缆代替品
1至7天
7
1-10+
广泛范围的声 音和数据
1至7天
1
1000+
深圳翌日科技简介
• 深圳市翌日科技有限公司位于深圳特区,公司创始人都有在 美国硅谷高科技公司的从业经历，在美国已对ZigBee技术 产品预研发近4年, 拥有丰富的经验。
共用一套网络，不需要重复布线。 便携式瓦斯检测仪有五大功能：实时监测瓦斯、精确定
位、收发短信、联动报警、定位卡搜救。
视频监控系统
视频监控系统以图象方式直观实时监控采掘面、皮带运 输、主副井提升、选煤厂等关键生产环节工况。
数字化、网络化： – 不同于传统的模拟视频监控系统，扩展方便 – 采用H.264视频压缩，压缩率是普通压缩方式的10倍
4 有线瓦斯检测器： 仅在少量固定地点安装, 最危险的掘进面等地点 缺乏监测
5 便携式瓦斯检测仪： 不具备传输报警能力
1
有线电话： 较少而且位置固定
2
小灵通： 频段给3G让路，成 本高，同时通话手 机数量仅有三部
现有通信系统 存在的问题
3
4
系统实施 工程量大
WiFi： 容易受干扰；只能 使用光纤，安装维 护麻烦；漫游慢
系统结构图
KJ272 人员定位系统
全井信号全覆盖，精确定位 工作面定位数据无线中继传输，少量语音数据 有线中断时瞬间自动切换成无线工作方式 紧急情况求救报警 发生特殊情况时下达撤离通知 其他功能：轨迹回放、大屏显示支持、考勤管理
KT132 矿用无线通信系统
井下使用通信线缆，不需要光纤，维护方便。 井下手机之间互相拨打，井下手机和地面固定电话或移动手
四网合一系统概述
•人员定位系统
•无线通信系统
•视频监控系统
•无线瓦斯监测系统
四网合一 四个子系统主要设备可以共用：四合一基站、线缆或光缆、矿用电源 等,一套价格，四套服务，为煤矿节省大量成本。 高效灵活 四个子系统可合可分，可根据煤矿的预算、不同时段发展计划等实际 情况量身定做，系统可大可小，功能任选。后续升级扩容非常方便， 只需增加相应的终端设备。 技术领先，自主研发 全自主研发，升级和维护无后顾之忧。断电情况下可继续工作2小时 以上，提供宝贵的人员定位信息。
10米
定位性能
真正意义上的定位，精度高 只是知道人从哪里经过
漏卡现象
100张卡60KM同时经过， 无漏卡现象
速度十分有限，漏卡较严重
井下信号覆盖 传输方式
全井覆盖
支持双向通信，井下人员可 以求救报警；井上可以发布
紧急撤离
仅仅覆盖岔路口 卡向基站单向传输
与小灵通对比
频率范围 网络拓扑
通话 漫游 调度 自组网 精确定位 传输介质 信道数 系统结构 产业发展 技术发展
4-8部
通信线缆、光纤都支持， 维护方便
漫游速度快， 毫秒级漫游
只能用光纤， 维护麻烦
漫游较差， 有明显1-2s停滞感
不容易受干扰
非常容易受干扰
每个基站都是交换机，基站 手机通话必须经过井上SIP
直接串联后就可以打电话
服务器
• 公司已有发明型专利2项，实用性专利4项。 • 公司专注于无线传感网的研发和应用。
1 人员的定位：
现有监控系统 3 单向信息传输，
没有或者使用精度差的准 定位技术，出现紧急情况
存在的问题
信息传输速率低： 影响系统的实时性
无法掌握人员的实际位置
2 漏检率较高： 读卡速度十分有限，不 能处理多人同时快速通 过读卡系统的情况（例 如乘车下井、多人一起 行走）
闯入报警：有人进入限制区域，摄像仪会报警 在计算机屏幕上可同时显示1/4/9/16个摄像机的图像，并可
进行图像冻结、缩放等操作 采用多种先进的硬盘录像方式：连续录像、动态录像、手
动录像、报警录像。
与其他人员定位系统对比
ZigBee人员定位系统
RFID人员管理系统
卡和基站无线通 信距离Fra bibliotek500米