采用ZigBee技术的皮带运输机控制人员监控系统的设计

李 闯，李 斌

(沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

目前，采矿业中，皮带运输机依旧起着不可忽视的作用，从工作面到装车站，煤的运输几乎全由各类运输机传送，因此，对皮带运输机控制人员的管理在安全生产中占有重要地位。鉴于矿井环境的特殊性，低功耗和信号传输一直都是研究的重点。目前我国煤矿企业安装的矿井人员管理系统多是基于 RFID 技术［1］和红外传感器技术［2］，传输距离近，ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度、区域定位的双向无线通信技术，工作在2.4 GHz ISM免费频段，拥有可靠、时延短、网络容量大、安全、高保密性等特点，适用于自动控制、传感、监控和远程控制等领域［3］。而本设计采用ZigBee技术实现对皮带运输机控制人员的监控，优化系统传输性能的同时也降低了系统的功耗。

1 系统组成

本系统井下部分以无线通信为主，根据现场实际情况和员工工作内容的不同采用ZigBee技术组建无线传感器网络［4］，然后通过光纤通信等手段将井下网络中各个控制器节点的状况根据要求传输到井上上位机的工作界面显示，便于更好地实施监控管理。人员的位置管理是通过设置在每个巷道的分岔处的人员记录系统进行管理。整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

2 皮带运输机控制人员的监控系统

皮带运输机控制人员的监控系统主要由无线设备控制器和便携标识设备组成。工作原理:无线设备控制器以一定的时间间隔不断向其覆盖区域内发送询问信息以进行实时监控，当人员进入该区域时，佩戴的便携标识设备检测询问信号，如果匹配(皮带机操作人员)，对控制器作出响应，否则不响应。保证控制设备人员不在现场时，设备无法启动，系统可以记录操作人员上岗离岗时间，操作设备时间等信息。并存储或上传到井上调度室。

2.1 无线设备控制器总体架构

无线设备控制器框图如图2所示。

图2 无线控制器

由TI的CC2530无线通信模块、时钟存储模块FM31256、LCD1602及电源等部分组成。

2.2 存储模块设计

在矿用无线设备控制器中，存储部分采用带RTC的I2C总线铁电存储器［5］芯片FM3116，与其它非易失性存储器比较，它具有读/写速度快、功耗低、擦写使用寿命长、读/写的无限性等优点。该部分必须以准确的实时时钟作为时段划分根据，用来实现记录操作人员上岗离岗时间、操作设备时间等信息。因此，此模块具有实时时钟功能和存储功能。实时时钟功能将在LCD1602得以实时显示。该模块与射频芯片CC2530的连接图如图3所示。

图3 存储模块电路图

2.3 通信及显示模块设计

本设计基于ZigBee无线传输技术，因此对于无线传输部分，选用目前比较常用的CC2530芯片，它的信号灵敏度为-96dbm，且在视距情况下通信距离为300m左右，因此可以保证传输距离，同时，它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点［6］。由于 CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗［7］。而RFID技术和红外传感器技术传输距离相比之下较近，所以从该角度看，ZigBee无线技术也更有优势。

无线通信处理数据后，可通过输出显示模块的通信过程和结果。该设计主要采用LCD和继电器外接状态灯二者配合进行显示。对于继电器输出模块的设计，共三组继电器，外接红、黄、绿状态显示灯。当皮带运输机控制人员工作状态改变时，经过无线通信，继电器输出模块立即作出相应的状态变化，以便控制器很好地掌握井下该操作人员的工作状态。同时，通过红绿灯不同的显示情况，使得检修人员或其他工作人员可以判定此时设备是否可以开启、检修和清洁周围等工作。该模块上的黄灯，出现故障时才显示，起到警报作用。射频通信和显示模块的电路图如图4所示。

图4 射频通信和显示模块电路图

3 便携标识设备设计

对于便携标识设备的供电方式，由于是终端设备，从方便携带和降低功耗等方面考虑，采用两节1.5V电池供电，且将便携标识设备的模块做到和小电池盒一样的尺寸。而对于总体硬件设计方面，与发送设备相似，无线传输部分同样采用CC2530模块，与矿用无线设备控制器部分进行通信。便携标识设备框图如图5所示。

便携标识设备上有四个按键，实现功能如下:在矿用无线设备控制器的覆盖区域内，便携标识设备与无线控制器正常进行通信时，(1)当S0按下时，表示人离开，继电器置0，红绿灯都不亮;(2)当S1按下时，表示人在，继电器置1，绿灯亮，绿灯置1，红灯不亮;(3)当S2按下时，表示人即将离开，继电器置1，红绿灯交错闪烁半分钟;(4)当S3按下时，为锁定状态，表示管理员暂时离开，继电器置1，红绿灯都亮。上述四种情况:对于井上管理人员来说，可以通过上位机界面显示的状况，实时了解持便携标识设备的皮带运输机控制人员工作状况，以便于考勤考勤管理;对于检修人员和其他工作人员来说，通过控制器显示的状态可以很清楚地了解当下持便携标识设备的皮带运输机控制人员管理设备的控制状态，例如控制状态为锁定皮带运输机，则其它人员无法将其开启，这样也可以很好地减少误操作带来的事故。

图5 手持设备

4 软件设计流程

系统由通信双方的矿用无线设备控制器和便携标识设备组成，图6为系统的软件设计主要流程图。手持设备上共四个按键，每个按键对应通信的状态不同，对于与之通信的无线设备控制器，根据手持设备情况必须有按键判断的功能，然后二者进入相应按键下的绑定请求，再实现具体的通信。中断部分的软件设计流程以按键S1为例，具体如图7所示。

图6 系统主流程图

图7 按键S1的中断流程图

5 测试结果

进行整机通信测试。测试时，在一般建筑物环境下，将发射功率设置为HAL_RF_TXPOWER_16_DBM，即16DBM，信道设置为 RF_CHANNEL 25，发射功率和信道都可以按照技术手册再通过程序配置。测试结果具体分为以下几种状况:当收发设备的天线均为同种情况时，即均匀垂直极化的形式或者水平极化的形式或其它角度位置相同时，通讯距离为66m;当天线极化形式不同时，测试时一个为垂直极化形式一个为水平极化，测得结果为41.2m;上述两种结果均在少障碍物状况下测量。当天线极化形式不一致时，减少约10m。当障碍物增加时，通讯距离会减小。图8为天线极化方式不一致时，无线通信后控制器状态的实物显示图。当改变信道环境和发射功率后，传送范围发生变化。考虑到不同矿井情况不一致，入井时根据实际情况调整功率。

图8 无线通信系统中的控制器实物图

6 结束语

ZigBee技术是目前无线通信技术领域的一项热门技术，采用该技术设计皮带运输机控制人员的监控系统，传输距离远且有效降低了功耗。本设计有待于进一步扩展，可以通过增加节点数目、增大发送功率来扩大网络覆盖范围，再结合先进的路由算法，更好地实现对矿井内对每一名员工的管理。

应用中，本文的设计为煤矿井下人员日常的管理提供了一定的实用功能，比较适合煤矿企业的需求。同时，设计中采用的铁电存储技术，也为解决实际应用中存储方面的问题提供了一定的参考方案。

［1］柯建华.基于RFID与CAN的煤矿井下人员定位系统研究［D］.北京:北京交通大学，2006.

［2］张红英.红外传感器在皮带运输机安全警示系统中的研究应用［D］.昆明:昆明理工大学，2002.

［3］钟永锋，刘永俊.ZigBee无线传感器网［M］.北京:北京邮电大学出版社，2011-3.

［4］杜文涛.基于WEB的井下人员定位信息系统的研究［D］.西安:西安科技大学，2010.

［5］孙树印.铁电存储器原理及应用比较［J］.单片机与嵌入式系统应用，2004(9):15-17.

［6］李文仲，段朝玉.ZigBee 2006无线网络与无线定位实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008-1.

［7］李文仲，段朝玉.ZigBee 2007/PRO协议栈实验与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009-3.