基于ZigBee的矿井环境监测系统的设计*

*基金项目：甘肃省教育厅2021年度高等学校创新基金项目，项目编号：2021B-511；酒泉职业技术学院校级科研项目，项目编号：2022XJZXM02

随着煤矿安全生产的不断发展，人们对煤矿安全管理提出了更高要求。在这一背景下，基于“以人为本”理念和现代信息技术应用，将矿井井下传感器技术和无线通信技术引入到煤炭开采中，以提升煤炭企业整体管理水平，增强企业竞争力，提高经济效益，为煤炭行业健康可持续发展奠定基础。

在进行井下作业时，为了保证安全生产和人员的身体健康，必须对井下巷道内存在的各种有害因素进行控制^[1]。本文基于ZigBee 技术和传感器技术，实现对井下环境参数的采集与控制，从而实现有效控制和减少安全事故的发生^[2]。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件总体设计

系统采用STM32 单片机作为核心控制器，通过外围接口模块来完成数据采集、数据传输等功能^[3]。主要由ZigBee 网络节点, 主控制器和传感器构成。其中传感器是采集数据并进行数据处理，包括温度的测量，有害气体的测量以及湿度的测量等。传感器检测到信号后通过ZigBee 无线通信将信息传输给单片机处理。主控制器根据处理后的信息控制各模块工作，实现对整个控制系统运行状态的自动控制。采用ZigBee 技术建立井下无线传输链路，实现了数据传输功能，在保证安全性的前提下提高传输速度，降低了通信费用。本系统具有体积小、质量轻、功耗低、成本低以及可扩展能力强等优点；通过采用Zig Bee 技术对井下环境进行监测并将数据传输到单片机机可以实时显示检测情况，从而达到了提高工作效率、降低劳动强度以及减少人为错误操作等目的^[4]。系统硬件设计如图1 所示。

图1 系统硬件框图

1.2 主控制器模块

矿井环境监测系统的主控制器采用STM32F103C8T单片机，在监控过程中，需要对传感器信号进行采集处理，并将其转换为数字量输入到单片机，同时可将采集到的信息显示在LCD 上^[5]。其特点是：

1）具有可编程序的功能；

2）在系统中实现了多种输入方式及输出模式，可以满足各种应用场合的要求；

3）具有丰富的外围接口功能。

4）具有较高的可靠性。最小系统电路图如图2所示。

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。

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4 所示。

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。

1.6 显示模块

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。

1.7 报警模块

报警模块采用蜂鸣器，蜂鸣器的工作原理是：利用三极管与电容、电阻和电感等元件形成共模电压，通过放大后产生高频振荡，从而引起振铃声，并将声音传入扬声器。如果环境参数低于或高于设定值，蜂鸣器会发出警报并通知工作人员；如果环境参数在预设范围内，蜂鸣器则不会报警^[8]。蜂鸣器电路图如图7 所示。

2 系统软件设计

2.1 系统软件开发环境

编程用keil5 软件编写,Keil5 采用了面向对象方法开发语言，使用标准库进行编译与修改，并提供完整的程序接口供用户选择，具有很高的灵活性。使用Keil5可以进行各种复杂程序和数据运算，并对结果有很好的控制。它具有强大的图形用户界面，能快速创建、编辑及执行应用程序。它还支持多语言版本（例如C++）。Keil5 最重要的是它可以在不同平台上实现完全兼容，并且支持多种编程语言。另外，Keil5 还具有强大的功能扩展能力，可进行大量的二次开发工作。

2.2 主程序设计

在整个系统设计过程中，为了提高程序运行效率，采用模块化设计思想将软件分成若干子模块，并根据用户需求不同，对系统功能做出相应调整^[9]。

首先，系统进行初始化，工作人员设定各个参数的安全范围。各个传感器开始采集数据，然后将采集到的井下环境信息（温湿度、甲烷浓度等）通过ZigBee 模块发送给主控制器进行分析和处理，主控制器根据接收到的信息来控制各个传感器执行相应功能。主控制器判断各个参数的实时值是否在安全范围之内，若是超过了安全范围，则会自动启动报警机制，并向现场人员发出警报。如果在安全范围内，蜂鸣器不报警。系统继续工作，采集矿井内部实时环境参数。在整个过程中，各传感设备都要按照预设的程序正常工作，避免误操作造成不必要的损失。最后，主控制器对整个系统运行状态进行监控。主程序流程图如图3 所示。

3 测试与分析

实验室环境下，在不同时刻分别测量了甲烷、温度、湿度的值，并与实际的标准值进行了对比分析。标准值用专业检测仪器获得。实验数据如图9~ 图11 所示。

图9 甲烷浓度对比图

图10 温度对比图

图11 湿度对比图

通过观察图9~ 图11 可知，该系统所测得的甲烷浓度值、温度值和湿度值较好地跟踪了实际值得变化。甲烷浓度的最大误差为0.9%，温度值得最大误差为0.6%，湿度值的最大误差为0.7%，符合检测要求，说明了该系统的有效性。

4 结束语

本文提出了一种基于ZigBee 的矿井环境监测系统。介绍了整个系统硬件电路设计以及软件设计过程。该系统由单片机，传感器模块和ZigBee 模块三部分组成，采用低功耗，高性能单片机作为核心控制器，传感器模块实现对井下环境参数（温度、湿度、甲烷浓度等）进行采集，利用Zigbee 网络传输方式实现远距离传输，ZigBee 模块将采集到的信息传送给单片机以实现对井下环境参数的实时监测与管理。从而达到监测人员及时了解井下环境参数变化情况的目的，并且可以实时显示井下不同区域内的各项监测数据。

实验结果表明，该系统能够准确测量甲烷、温度和湿度等参数，误差小，满足测量要求，能够有效地提高煤矿井下巷道内的环境信息采集效率，可为煤矿生产提供全方位的信息支持，具有较高的实用性与推广价值。

参考文献：

[1] 周娇,童浩.基于STM32的矿用便携式甲烷报警仪的设计[J].煤炭技术,2022,41(11):203-205.

[2] 雷文礼,张鑫,任新成,等.基于ZigBee的大棚环境监测系统设计[J].电子设计工程,2022,30(24):1-5.

[3] 梁涛,侯友夫,李鹏,等.信息融合技术在矿井环境监测系统中的应用[J].矿山机械, 2009(3):37-40.

[4] 谢国民,杨義葵,付华.基于ARM和信息融合技术的矿井环境监测系统[J].压电与声光, 2011, 33(4).

[5] 杨伟林.基于无线传感网的矿井环境监测系统设计[D].包头:内蒙古科技大学, 2015.

[6] 毕思武.基于GPRS的远程矿区多媒体环境监测系统[C]//中国科协年会,2007.

[7] 张卫东.基于DS18B20的矿井多点温度监测系统研究[J].2010.

[8] 陈文文, 韩杰, 邹波, 等.矿井环境指标综合移动监控预警平台[J].煤矿安全,2016, 47(6):100-103.

[9] 屠乃威.多传感器信息融合技术在矿井环境监测系统中的应用研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2004.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年6月期）