專利名稱：一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦井下安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的 井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤炭作為我國的基本能源和重要原料，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的戰(zhàn)略地位。 在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占我國一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的70%左右，預(yù)計(jì)到2050 年仍將占50%以上。因此，在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)煤炭仍將是我國的主要能源，以煤炭為主的能 源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)將難以改變。近來，隨著對煤炭需求量的增大，我國煤礦事故又有攀升趨勢，煤礦安全狀況令人 擔(dān)憂。我國煤礦安全信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化程度不高，井下安全信息不能及時(shí)傳送到井上安全 生產(chǎn)控制中心，是導(dǎo)致煤礦事故頻發(fā)的重要原因之一。我國現(xiàn)有的煤礦安全信息系統(tǒng)大多 是通過有線網(wǎng)絡(luò)建立的，隨著煤礦開采的日益變化，煤礦井下的物理結(jié)構(gòu)日新月異地改變 著，原先設(shè)計(jì)好的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)很難做到完全的監(jiān)控覆蓋，重新建立新的有線網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)，在成本上、人力上、擴(kuò)展性等方面都不符合實(shí)際情況的發(fā)展。因此，建立一套靈活、可靠、 擴(kuò)展性強(qiáng)的煤礦安全無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和半導(dǎo)體與微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)的 飛速發(fā)展，具有感知、計(jì)算存儲和通信能力的微型傳感器在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和宇航各個(gè)領(lǐng) 域開始出現(xiàn)。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是集傳感器執(zhí)行器、控制器和通信裝置于一體；集傳感與驅(qū)動 控制能力、計(jì)算能力、通信能力于一身的資源(計(jì)算、存儲和能源)受限的嵌入式設(shè)備。由 這些微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種 監(jiān)測對象信息，并對這些信息進(jìn)行處理，傳送給需要這些信息的用戶。傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵 察、環(huán)境信息、檢測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)、建筑與家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域 有著廣闊的應(yīng)用前景。藍(lán)牙技術(shù)是無線通訊的一種，在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管 有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙 技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求 越來越強(qiáng)烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場 的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，Zigbee協(xié)議在2003年正式問世。Zigbee是 IEEE 802. 15. 4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信 技術(shù)。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。目前，我國礦區(qū)監(jiān)控技術(shù)也從人工監(jiān)控發(fā)展到了自動監(jiān)控與監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)從環(huán) 境安全監(jiān)控發(fā)展到了工況監(jiān)控和生產(chǎn)監(jiān)控，并逐步形成了礦區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，為礦區(qū)生產(chǎn)和管 理的現(xiàn)代化提供了良好的條件。國外六、七十年代發(fā)展起來的煤礦監(jiān)控技術(shù)，近年來在我國 有了飛速的發(fā)展，各種煤礦監(jiān)控系統(tǒng)及其配套產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。大連礦山安全科學(xué)技術(shù)研究院的井下人員定位跟蹤管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是集自動控
3制技術(shù)、射頻識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等，多學(xué)科綜合應(yīng)用為一體的自動識別信息系統(tǒng)。該 系統(tǒng)是通過對坑道遠(yuǎn)距離移動目標(biāo)進(jìn)行非接觸式信息采集處理，實(shí)現(xiàn)對人車物在不同狀態(tài) 移動、靜止下的自動識別，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動化管理。中科院計(jì)算技術(shù)研究所研發(fā)了井下傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)型煤礦無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)，該系 統(tǒng)利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的自組織、數(shù)據(jù)式多跳路由、低成本等特點(diǎn)?；谏鲜?，目前，我國煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)大多采用設(shè)備監(jiān)控和人工監(jiān)控相結(jié) 合的方法，此類安全監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)成本、可靠性和人員安全方面有很大的不足之處。首先，基于有線網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)由于需要建設(shè)有線傳輸系統(tǒng)，因此在很大程 度上限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大。隨著開采面的不斷向前推進(jìn)，開采計(jì)劃隨井下煤炭的分布情 況而變化，基于有線網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展跟不上開采的實(shí)際要求，使得網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù) 可靠性和實(shí)時(shí)性得不到保證，難以確保重要的安全數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和井下儀表的檢測數(shù)據(jù) 及時(shí)的傳輸。這就成為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)的最大不足。其次，人工監(jiān)控的方案是憑借專門人員豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對危險(xiǎn)情況的發(fā)生進(jìn)行預(yù) 測。由于該類專門人員數(shù)量有限，同時(shí)考慮到監(jiān)察員對各個(gè)區(qū)域檢查的隨機(jī)性，導(dǎo)致不可能 覆蓋井下所有區(qū)域。而且，瓦斯在空氣中含量高時(shí)可降低氧含量，引起窒息，親自到達(dá)信息 采集點(diǎn)采集瓦斯信息，還存在采集人員的人身安全問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)上存在的不足，本發(fā)明目的是在于提供一種通過 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自調(diào)整特性的基于 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，包括采用Internet網(wǎng) 絡(luò)發(fā)布相關(guān)信息的地面安全監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理網(wǎng)絡(luò)、采集井下環(huán)境參數(shù)和人員信息數(shù)據(jù) 的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和連接地面安全監(jiān)控系統(tǒng)和井下ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN 網(wǎng)絡(luò)，所述地面安全監(jiān)控系統(tǒng)對井下的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，并依此井下安全狀況的 判斷、應(yīng)對措施的決策和預(yù)警信息的發(fā)布，其將需要向井下發(fā)布的信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)往 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步的，所述ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括采集井下環(huán)境參數(shù)和人員信息數(shù)據(jù) 的便攜式移動結(jié)點(diǎn)，接收移動結(jié)點(diǎn)發(fā)送的檢測數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)的礦井巷道固定結(jié) 點(diǎn)和通過CAN網(wǎng)絡(luò)連接地面安全監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)；所述礦井巷道固定結(jié)點(diǎn)將移 動結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳送ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將這些數(shù) 據(jù)通過有線的現(xiàn)場總線(CAN)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到地面安全監(jiān)控系統(tǒng)。進(jìn)一步的，所述礦井巷道固定結(jié)點(diǎn)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器，所述的便攜式移動結(jié)點(diǎn) 為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所述ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括ZigBee收發(fā)器、電源管理單元、溫濕度傳感 器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、?bào)警裝置和功率放大電路；所述電源管理單元、溫濕度傳感器、瓦斯?jié)?度傳感器、報(bào)警裝置和功率放大電路均與ZigBee收發(fā)器通過電路相連接。進(jìn)一步的，所述ZigBee收發(fā)器還連接有用于對節(jié)點(diǎn)的某些工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對 節(jié)點(diǎn)的工作狀況和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查看的人機(jī)接口，用于對節(jié)點(diǎn)的某些工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對節(jié)點(diǎn)的工作狀況和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查看等。進(jìn)一步的，所述人機(jī)接口包括用于對節(jié)點(diǎn)的某些工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的按鍵和對節(jié) 點(diǎn)的工作狀況和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查看的顯示器。進(jìn)一步的，所述的ZigBee收發(fā)器采用的是CC2530微處理器，功耗低、安全可靠。本發(fā)明礦井巷道固定結(jié)點(diǎn)將便攜式移動結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)通 過ZigBee傳送ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)通過有線的現(xiàn)場總線(CAN)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到 地面安全監(jiān)控系統(tǒng)，地面安全監(jiān)控系統(tǒng)采用Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布相關(guān)信息。安全監(jiān)控中心對 井下的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，并依此井下安全狀況的判斷、應(yīng)對措施的決策和預(yù)警信息 的發(fā)布，其將需要向井下發(fā)布的信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)往ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)，ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān) 再將該信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)往指定的便攜式移動節(jié)點(diǎn)，或進(jìn)行全網(wǎng)廣播。本發(fā)明從根本上解決現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在的缺陷；其采用最新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)即ZigBee，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，它是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié) 點(diǎn)密集，數(shù)量巨大且部署在十分廣泛的區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自 調(diào)整特性；本發(fā)明兼容現(xiàn)行煤礦安全系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式的功能，具有很好的靈活性，可擴(kuò)展 性，自組織網(wǎng)絡(luò)的能力，并且具有成本低、體積小、功耗低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，主要用于煤礦 井下的溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、傳輸和處理；對出現(xiàn)的瓦斯事故進(jìn)行預(yù)警 和安全監(jiān)控支持；將井下環(huán)境參數(shù)和井下作業(yè)人員信息等數(shù)據(jù)在電子地圖上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯 示；允許媒體和公眾遠(yuǎn)程訪問和查詢有關(guān)信息。


圖1為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的模塊框圖；圖3為本發(fā)明的CC2530典型應(yīng)用電路；圖4為本發(fā)明射頻功率放大電路圖；圖5為本發(fā)明SHTll內(nèi)部功能框圖；圖6為本發(fā)明SHTll與主機(jī)的連接電路圖；圖7為本發(fā)明瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞴ぷ髟硎疽鈭D。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式
，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。參見圖1，本發(fā)明針對目前各種煤礦安全產(chǎn)品的多樣性，以及煤礦開采過程中井 下空間的多變性，而提供一種兼容現(xiàn)行煤礦安全系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式的功能，具有很好的靈 活性，可擴(kuò)展性，自組織網(wǎng)絡(luò)能力的基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其包括采用 Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布相關(guān)信息的地面安全監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置在井下，并采集井 下環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)和井下人員信息數(shù)據(jù)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 和連接地面安全監(jiān)控系統(tǒng)和井下ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN網(wǎng)絡(luò)。該ZigBee無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)將采集的環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)和井下人員信息數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場 總線(CAN)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到地面安全監(jiān)控系統(tǒng)，該地面安全監(jiān)控系統(tǒng)對井下的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，并依此井下安全狀況的判斷、應(yīng)對措施的決策和預(yù)警信息的發(fā)布，其將需要向井 下發(fā)布的信息再通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)往ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)往指定 的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，或進(jìn)行全網(wǎng)廣播。值得一提的是，本發(fā)明主要負(fù)責(zé)從礦井入口處延伸到工作面的區(qū)域，該井下監(jiān)測 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用ZigBee，每個(gè)礦井可以是視為一個(gè)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要由三部分組 成(1)礦井巷道固定結(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要結(jié)點(diǎn)，同時(shí)可充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路 由器，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線多跳傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)；(2)便攜式移動結(jié)點(diǎn)井下工作人員 隨身攜帶的結(jié)點(diǎn)，也是每個(gè)人員的身份標(biāo)記，用于采集井下環(huán)境參數(shù)和人員信息數(shù)據(jù)；(3) ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)井下無線網(wǎng)絡(luò)與地面有線網(wǎng)絡(luò)的連接轉(zhuǎn)換設(shè)備，同時(shí)也是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的 協(xié)調(diào)器，即是井下無線網(wǎng)絡(luò)的組織者和管理者。礦井巷道固定結(jié)點(diǎn)將移動結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳送 ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)，該ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)通過有線的現(xiàn)場總線(CAN)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到地 面安全監(jiān)控系統(tǒng)。安全監(jiān)控系統(tǒng)對井下的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，并依此井下安全狀況的 判斷、應(yīng)對措施的決策和預(yù)警信息的發(fā)布，其將需要向井下發(fā)布的信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)往 ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)，ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)再將該信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)往指定的節(jié)點(diǎn)，或進(jìn)行全 網(wǎng)廣播。本實(shí)施例中，參見圖2，便攜式移動結(jié)點(diǎn)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，是煤礦井下安全監(jiān)控 系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，并是井下環(huán)境參數(shù)和人員信息數(shù)據(jù)的來源。該ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由 ZigBee收發(fā)器、電源管理單元、溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、?bào)警裝置、人機(jī)接口和功率 放大電路組成；其各部分功能如下UZigBee收發(fā)器；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的功能是各種傳感器配合組成智能傳感器，進(jìn) 行溫濕度、瓦斯?jié)舛取⑷藛T定位等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及分析等功能，其功能相對簡單，但是需 求量大，因此要充分考慮到系統(tǒng)成本的問題?；谝陨闲枨?，本系統(tǒng)中ZigBee收發(fā)器采用 CC2530微處理器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的主處理器。CC2530 是為 2. 4GHz IEEE 802. 15. 4 和 ZigBee 應(yīng)用提供的片上系統(tǒng)(SoC, System on Chip)解決方案，它集成了一個(gè)高性能2. 4GHz DSSS (直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心 和一個(gè)工業(yè)級的高效8051控制器，能滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2. 4GHz ISM波段應(yīng)用對低成 本，低功耗的要求。參見圖3，該CC2530微處理器含有CC2530芯片延用了現(xiàn)有CC2430芯片的架構(gòu)，在 單個(gè)芯片上整合了 ZigBee射頻前端、程序存儲器、數(shù)據(jù)內(nèi)存和微控制器核心。它使用1個(gè) 8位MCU (8051)，具有256KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè) 定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(Watchdog timer),32kHz晶振的休眠 模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power OnReset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及 21個(gè)可編程1/0引腳。CC2530芯片采用0. 18ym CMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電 流損耗分別低于27mA和25mA。CC2530的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時(shí)間的特性， 特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。CC2530芯片的主要特點(diǎn)如下 高性能和低功耗的8051微控制器核 集成符合I EEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的2. 4GHz的RF無線收發(fā)器 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性
在休眠模式時(shí)僅0. 9 μ A的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí) 少于0. 6 μ A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)
硬件支持CSMA/CA功能 較寬的電壓范圍(2. 0 3. 6V) 數(shù)字化的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI/LQI)支持和強(qiáng)大的DMA功能 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能 集成了 14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC 集成AES安全協(xié)處理器 帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE 802. 15. 4規(guī)范的 MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器 強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具CC2530芯片只需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)功能，其典型應(yīng)用電 路如圖3所示。2、射頻功能放大電路；煤礦井下環(huán)境惡劣，尤其是電磁環(huán)境復(fù)雜，會影響到無線 信號的傳輸質(zhì)量，而且當(dāng)某個(gè)路由器/節(jié)點(diǎn)因某些原因如電力不足或礦井爆炸等退出網(wǎng)絡(luò) 時(shí)，需要其他的路由器/節(jié)點(diǎn)能夠代替退出網(wǎng)絡(luò)的路由器/節(jié)點(diǎn)執(zhí)行其在網(wǎng)絡(luò)中的功能，因 此需要的時(shí)候要求路由器/節(jié)點(diǎn)適當(dāng)增加其射頻輸出功率，增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。本實(shí)施例采用的是CC2591射頻前端芯片作為射頻功率放大電路中的功率放大 器，其與CC2530的接口及外圍電路如圖4所示。3、溫濕度傳感器；該溫濕度傳感器采用的是SHT11，SHTll的內(nèi)部框圖如圖5及其 與CC2530微處理器的接口電路如圖6所示，SHTll內(nèi)包括溫度傳感器、濕度傳感器、校準(zhǔn)傳 感器、放大器和帶有數(shù)字雙線接口的CRF發(fā)生器；該溫度傳感器、濕度傳感器、校準(zhǔn)傳感器 輸出端均與放大器等輸入端相連接，所述放大器的輸出端再與CRF發(fā)生器相連接，在CRF發(fā) 生器上還連接數(shù)字雙線接口，即SCK、DATA發(fā)送送接口。主機(jī)(UC)內(nèi)CC2530微處理器與 SHTll的接口連接，來傳送信息，SHTll工作電壓2. 4-5. 5V。本實(shí)施例采用的SHTll作為溫 濕度傳感器具有完全校準(zhǔn)的數(shù)字輸出、低功耗、體積小巧、不需要外部器件、長期穩(wěn)定等特 點(diǎn)，非常適合于在煤礦井下使用。4、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?；瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑捎梅辣偷V用催化燃燒式氣體傳感器 MC3. 0L。如圖7所示，MC3. OL型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補(bǔ) 償元件配對組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該 電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用。MC3. OL用作井下瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，具有防爆、穩(wěn)定可靠、輸出電壓信號與瓦斯?jié)舛?成正比、快速響應(yīng)恢復(fù)、抗溫濕度干擾等特點(diǎn)。其探測范圍為0 4% VOL，靈敏度為20 40mV/l %，響應(yīng)時(shí)間彡IOs,恢復(fù)時(shí)間彡30s,工作電壓3V±0. IV，工作電流110士 10mA，功率 彡360mW，在環(huán)境溫度為-40°C 70°C、濕度彡95% RH的條件下均可正常工作。由于MC3. OL本身的阻值非常小，當(dāng)環(huán)境中的瓦斯?jié)舛劝l(fā)生變化時(shí)其阻值變化很 小，這樣電橋的輸出電壓變化也非常小，在實(shí)際應(yīng)用中需要對該輸出電壓進(jìn)行放大之后才 能進(jìn)行測量。這里采用精密儀表放大器AD623AR來對MC3. OL的輸出信號進(jìn)行放大，放大倍 數(shù)可通過一個(gè)電阻在1 1000倍之間進(jìn)行精確的調(diào)整，放大后的電壓信號使用CC2530微
7處理器的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后根據(jù)瓦斯?jié)舛扰c電壓的關(guān)系即可計(jì)算出瓦 斯?jié)舛?。MC3. OL的工作電壓為3. OV士0. IV，其對電源電壓的準(zhǔn)確度要求較高，因此在設(shè)計(jì) 中使用一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓芯片LM1117為其供電，使用精密電阻來調(diào)節(jié)其工作電壓。另外 由于MC3. OL的工作電流較大，遠(yuǎn)大于本ZigBee節(jié)點(diǎn)中的其它部件，因此設(shè)計(jì)中還使用一片 功率MOSFET來控制其電源的通斷，只有當(dāng)需要測量瓦斯?jié)舛仁遣沤o其供電。當(dāng)瓦斯?jié)舛葴y 量的頻繁程度較低時(shí)，能有效降低節(jié)點(diǎn)的總的平均功耗。5、電源管理模塊，用于提供整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電源。6、人機(jī)接口及報(bào)警裝置；人機(jī)接口包括按鍵和顯示器，用于對節(jié)點(diǎn)的某些工作參 數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對節(jié)點(diǎn)的工作狀況和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查看等。報(bào)警裝置用于當(dāng)井下環(huán)境發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)，或節(jié)點(diǎn)收到地面安全監(jiān)控系統(tǒng)中心發(fā) 布的信息時(shí)，對井下工作的有關(guān)人員進(jìn)行提示和告警。上述電源管理單元、溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、?bào)警裝置、人機(jī)接口和功率 放大電路均與ZigBee收發(fā)器通過電路相連接?；谏鲜?，由于礦井下有其特殊的應(yīng)用環(huán)境，比如外界的環(huán)境影響，比較廣闊的覆 蓋范圍等因素，對于井下無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸提出了很高的要求。從無線組網(wǎng)的角度出發(fā)， 結(jié)合低功耗的設(shè)計(jì)思想，將先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議引進(jìn)到煤礦安全系統(tǒng)中來，使得煤礦安全 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能和效率都得到大大的提高，并降低系統(tǒng)擴(kuò)展所帶來的成本。隨著巷道的延伸，該系統(tǒng)可以及時(shí)地在這些區(qū)域增加無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī) 模，其目的就是從根本上解決現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足。該系統(tǒng)采用最新的無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，它是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)密 集，數(shù)量巨大且部署在十分廣泛的區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自調(diào)整 特性；網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)具有成本低、體積小、功耗低、安全可靠等特點(diǎn)。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
權(quán)利要求
一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，包括對井下的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，并依此井下安全狀況的判斷、應(yīng)對措施的決策和預(yù)警信息發(fā)布的地面安全監(jiān)控系統(tǒng)、采集井下環(huán)境參數(shù)和人員信息數(shù)據(jù)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和連接地面安全監(jiān)控系統(tǒng)和井下ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN網(wǎng)絡(luò)；所述地面安全監(jiān)控系統(tǒng)向井下發(fā)布的信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)往ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所 述ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括采集井下環(huán)境參數(shù)和人員信息數(shù)據(jù)的便攜式移動結(jié)點(diǎn)，接 收移動結(jié)點(diǎn)發(fā)送的檢測數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)的礦井巷道固定結(jié)點(diǎn)和通過CAN網(wǎng)絡(luò)連 接地面安全監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)；所述礦井巷道固定結(jié)點(diǎn)將移動結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù) 以及自身采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳送ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān)，所述ZigBee傳送ZigBee-CAN網(wǎng) 關(guān)將這些數(shù)據(jù)通過有線的CAN網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到地面安全監(jiān)控系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所 述礦井巷道固定結(jié)點(diǎn)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器，所述的便攜式移動結(jié)點(diǎn)為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所 述ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括ZigBee收發(fā)器、電源管理單元、溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌?bào) 警裝置和功率放大電路；所述電源管理單元、溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、?bào)警裝置和 功率放大電路均與ZigBee收發(fā)器通過電路相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所 述ZigBee收發(fā)器還連接有用于對節(jié)點(diǎn)的某些工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對節(jié)點(diǎn)的工作狀況和環(huán) 境參數(shù)進(jìn)行查看的人機(jī)接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所 述人機(jī)接口包括用于對節(jié)點(diǎn)的某些工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的按鍵和對節(jié)點(diǎn)的工作狀況和環(huán)境 參數(shù)進(jìn)行查看的顯示器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的ZigBee收發(fā)器采用的是CC2530微處理器。
全文摘要
本發(fā)明公開的是一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括對井下的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，并依此井下安全狀況的判斷、應(yīng)對措施的決策和預(yù)警信息發(fā)布的地面安全監(jiān)控系統(tǒng)、采集井下環(huán)境參數(shù)和人員信息數(shù)據(jù)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和連接地面安全監(jiān)控系統(tǒng)和井下ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的CAN網(wǎng)絡(luò)；地面安全監(jiān)控系統(tǒng)向井下發(fā)布的信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)往ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即ZigBee，是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)密集，數(shù)量巨大且部署在十分廣泛的區(qū)域；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自調(diào)整特性；兼容現(xiàn)行煤礦安全系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式的功能，具有很好的靈活性、可擴(kuò)展性、自組織網(wǎng)絡(luò)的能力、成本低、功耗低、安全可靠。
文檔編號E21F17/18GK101881183SQ20101020251
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者師斌, 龐曉華, 王莉莎, 郭宏, 陳巖 申請人:昆山諾金傳感技術(shù)有限公司;威海諾金傳感技術(shù)有限公司;北京鑫諾金傳感技術(shù)有限公司;北京鑫諾金電子科技發(fā)展有限公司;北京德思源電子科技發(fā)展有限公司