基于ZigBee协议的煤矿井下无线传感器网络设计

杨珅 马斌 范强 彭光宇

【摘要】    根据煤矿井下实际工况和复杂环境，本文提出利用ZigBee协议栈来搭建无线传感器网络。选择CC2530芯片和常用传感器，利用CC2530芯片的数据收发功能，来完成传感器数据的采集和节点之间的无线通信。

【关键词】    煤矿井下    Z-Stack    CC2530    无线传感器网络

引言：

中国是煤炭资源大国，煤炭也是保障我国工业生产和人民生活的重要资源，因此煤炭的产量将直接关系到我国社会经济的发展。然而煤矿井下特殊复杂的环境，也使得传感器数据的有线传输存在通信成本高、网络覆盖面小、移动不方便等缺点[1]。采用ZigBee协议搭建的无线传感器网络，能够实时采集煤矿井下的温湿度、瓦斯气体浓度和煤矿机械的运行状态等常规信息，然后进行节点之间的数据收发，可实现煤矿井下的远程数据监测系统，有利于提高煤矿生产的安全性和生产效率，对煤矿井下的智能化发展具有重要意义。

一、ZigBee概述

ZigBee是一种能够进行短距离无线通信的协议，具有低速率传输、组网容量大、通信稳定以及成本低等特点。ZigBee协议由ZigBee联盟主导开发，协议的相关标准由该联盟所定义。 据统计，基于ZigBee协议的无线通信技术能够广泛运用到多种类型的场景中，包括当前发展迅速的民用和工业市场[2]。由于ZigBee是一种标准化的无线通信协议，因此生产商能够利用ZigBee协议来开发通信可靠、组网稳定、价格便宜且能耗较低的产品。

如图1所示， 一个基于ZigBee协议的无线网络包含有四层结构，自下到上分别是物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）以及应用层（APL）。其中，下面的物理层和MAC层是由IEEE 802.15.4标准来定义，而上面的网络层和应用层则由ZigBee联盟来定义[3]。基于ZigBee协议的网络能够使用868MHz、916MHz和2.4GHz这三个频段进行无线数据通讯。如果将图1所示的各层协议集成在一起，就能够组成ZigBee协议栈。ZigBee协议栈可以通过函数的方式来实现，技术开发人员可直接在最上面的应用层上调用这些函数。

在ZigBee网络最常见的星形结构中，从机的数量理论上可达254个，且在同一个区域内能同时存在上百个ZigBee网络。如果使用Mesh结构来组网，ZigBee网络中节点的数量能够达到惊人的65536个。因此，在煤矿井下复杂的环境中，可以根据实际需要设置大量的节点来采集需要监测的数据，并通过ZigBee协议栈组网来实现数据的无线传输。

二、节点硬件设计

本文旨在使用ZigBee协议构建一个星形的无线传感器网络，实现对若干个传感器的信息采集、数据处理和无线传输。在无线传感器网络中，有若干个终端设备用来采集不同的传感器数据，当这些终端设备采集到传感器的数据后，能够通过ZigBee协议将这些传感器数据无线发送给给协调器模块。当协调器模块接收到来自其他终端设备的传感器数据时，可以实现数据实时显示、数据转发和异常报警等功能。

2.1处理器模块

节点硬件选型的核心在于芯片选型，结合实际场景的使用需求，本文最终选择了由TI公司研发的下一代芯片，即CC2530芯片作为节点中的处理器。CC2530芯片集成了性能优良的RF收发器和8051 微控制器内核，具有可编程的闪存，并配置了8KB RAM[5]。经测试CC2530芯片的无线传输速率可以达到250kbp/s， 传输数据的距离理论上可以达到200米左右。 CC2530模块如果用作终端节点，大部分时间可以处在休眠模式，因此能够满足煤矿井下对低能耗的要求。

2.2傳感器模块

本文选择了几种常见的传感器模块，来模拟煤矿井下的实际需求，分别是MQ-7一氧化碳传感器、DHT11温湿度传感器和HC-SR04超声波距离传感器。这些传感器可以用来实时检测煤矿井下的一氧化碳浓度、空气中的温湿度和煤机设备与障碍物之间的距离等关键信息，当监测到的数据发生异常时能够及时报警，因此可以用来预防煤矿井下的一氧化碳超限、透水事故或煤机设备碰撞事故等。利用CC2530芯片和Z-Stack协议栈，可以完成对上述传感器的信息采集、数据处理和无线传输，从而建立无线传感器网络。

2.3 电源模块

由于使用ZigBee协议进行数据传输的速率不是很高，在正常工作时CC2530芯片的功耗也较小，因此若使用两节5号AA电池的情况下，理论上就可以使CC2530芯片维持长达六个月的使用时间。考虑到煤矿井下特殊恶劣的环境，可选择容量大、可靠性高、便于更换的高性能电池。本文使用的所有终端设备，均选用两节5号AA电池来供电。

三、通信软件部分

由于芯片选用的是TI公司研发的CC2530芯片，因此需使用该公司的Z-Stack协议栈来构建无线传感器网络。本文使用IAR Embedded Workbench for MSC-51 V8.10作为该无线传感器网络的开发环境，简称IAR，是知名的嵌入式系统开发软件，符合C语言标准的要求。

Z-Stack协议栈一般情况下采用事件循环机制来运行。具体来讲，Z-Stack协议栈的每一层都会使用一个任务事件处理函数，能够用来处理该函数所在层中的各种事件[6]。这些函数可以看作是每层相对应的一个任务，由OSAL（操作系统抽象层）负责总体的调度，这通常是一个无限循环的过程。 由于Z-Stack协议栈的操作信息都被封装在相应的库中，因此技术开发者在使用Z-Stack协议栈构建不同的无线传感器网络时，仅需要调用相应的API接口即可。

本文设计的无线传感器网络的通信方式为单播通信，这意味着所有的终端设备都非常清楚地知道接受模块的网络地址，然后将传感器的数据发送到该接受模块，即本系统中的协调器模块。 在ZigBee网络中，通过调用相应的函数来发送传感器数据，该函数名为AF_DataRequest（）。在这个函数中包含有很多重要的参数，包括目标节点的地址信息、端点信息、集群ID和数据长度等。

协调器模块接收到来自其他节点的传感器数据后，将根据aflncomingMSGPPacket_t结构体提取接受到的传感器数据。应该注意的是，这个结构体包含诸如事件、端点、集群等信息。在协调器模块上安装一个TFT屏幕，可以用来显示来自其他节点的传感器数据，如果数据高于预设的临界值，则蜂鸣器会报警。

四、通讯距离及远程监控

假设ZigBee无线传感器网络处在理想的真空介质下，并且发射天线和接受天线均设为一样的增益，根据射频传输理论，如果设定ZigBee节点的发射功率为2.8mW，在2.4GHz的频段下进行通信，两个ZigBee节点之间的传播距离经计算可以达到200米。 然而，受到诸多外部因素的影响，ZigBee网络的传输距离很难达到理想的状态。在煤矿井下的实际应用中，ZigBee无线传感器网络可能会受到不规则巷道、煤机设备或其他电磁干扰的影响，使电磁波发生绕射，进而影响其信号传播的能力。 此外，如果终端设备一直处于运动的状态时，产生的多普勒现象也可能会影响ZigBee网络的传输距离。

本文使用了TI公司开发的Packet Sniffer软件和CC2531芯片（基于 CC2530芯片的基础上增加了USB 2.0接口），能够获取基于ZigBee协议的无线传感器网络在通信时的数据包，因此可用来进行抓包实验。在井上空旷的环境下进行测试，两个CC2530模块在100米的范围内可以提供稳定的传感器数据传输，而传输距离超过100米后，ZigBee网络会出现一些数据包的丢失。由于ZigBee网络容量大，在煤矿井下使用时，可以增加CC2530模块的数量，以弥补节点之间传输距离的损失。

基于ZigBee協议的煤矿井下无线传感器网络可以连接到互联网中，这需要通过网关在不同协议之间进行切换，然后使用上位机软件即可实现煤矿的远程监测，如图1所示。

因此基于ZigBee协议的无线传感器网络并不是一个独立的网络，通过网关可以将ZigBee网络嵌入到目前主流的通信网络中，这正好可以弥补ZigBee技术本身的局限性。

五、结束语

本文使用CC2530芯片和Z-Stack协议栈，选择了能够模拟煤矿井下实际需求的传感器，开发了一个“多对一”的无线传感器网络。终端设备通过传感器来采集现场的数据，然后通过CC2530芯片和Z-Stack协议栈中相应的数据发送和接收函数，可以实现对相关数据的信息采集、数据处理和无线传输。经过测试，所有终端设备均能够准确地采集三种传感器的数据并将这些数据无线传输到协调器模块中。经过通信距离的测试和ZigBee技术自身组网的大容量、功耗小、成本低等特性，使得基于ZigBee协议的无线传感器网络能够适用于煤矿井下，可实现对煤矿井下的远程监测。

参  考  文  献

[1]宁传文.ZigBee在煤矿井下人员定位中的设计应用[J].机电工程技术，2020，49（12）：182-184.

[2]肖紫阳. 基于无线传感器网络的移动目标跟踪系统研究与设计[D].浙江工业大学，2016.

[3]李航. 基于无线网络的智能停车场关键技术研究[D].西华大学，2014.

[4]刘涛涛. 基于ZigBee技术的设备状态监测与故障诊断系统设计[D].中北大学，2014.

[5]莫莉，喻洪平，赵悦，宫霞霞.基于ZigBee煤矿安全监测系统设计与研究[J].煤炭技术，2018，37（09）：319-322.

[6]伍迎节. 基于ZigBee无线传感网的起重机安全监控系统设计[D].华东交通大学，2014.