基于ZigBee 的井下探测小助手设计

杨朵++陈君华

摘要：煤炭是我国一种十分重要的资源，其中关于煤炭的安全生产一直以来都是人们关注的问题。目前，大多数矿井使用的井下探测工具结构简单，传感器单一，满足不了井下工作面复杂环境的要求。该文针对井下探测设计了一种基于ZigBee技术并集成了温湿度、超声波、一氧化碳、光照强度和红外线检测总共5种传感器检测的井下探测小助手。该探测小助手对于井下环境数据采集良好，数据传输稳定，具有一定的应用价值。

关键词：ZigBee；传感器；数据采集；数据传输；井下探测

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0261-03

Abstract： Coal is a very important resource in our country， among which the safety production of coal has been the concern of people. At present， most of the underground detection tools used in the mine are simple in structure and single in the sensor， which cant meet the requirements of the complex environment of the underground working face. In this paper， we has designed a based on ZigBee technology and integrated the temperature and humidity， ultrasonic， carbon monoxide， light intensity and infrared detection of a total of 5 kinds of sensors detect small underground detection assistant. The detection of small assistant for underground environment data acquisition， data transmission stability， has a certain application value.

Key words： ZigBee； sensor； data collection； data transmission； Downhole probe

我国在改革开放以后，科学技术得到迅速发展，人们对于生活的要求越来越高，其中对于能源的消耗也越来越多。煤炭是工业生产的主要能源，其需求量增长迅速。我国作为世界上主要的产煤国之一，其煤产量约占世界煤产量的40%，地下开采是主要的开采形式[1]。但矿井下环境复杂多变，容易发生各种事故。其中火灾和洪水等自然灾害、开采条件的不完善、作业环境较差等因素造成了事故的频繁发生，给国家带来了严重的经济损失以及人口死亡率的提高。根据统计的相关资料显示，仅2011一年全国煤矿事故就发生了1201起，造成了1973人伤亡。虽然近年来我国煤炭事故安全系数得到了很大的提高，但是相对其他国家如美国来说安全管理和安全生产水平仍然存在很大的差距[2]。煤矿开采的安全性和可靠性跟井下的地质环境、开采的技术设备、矿工的技能等因素息息相关。井下各种窒息性气体是伴随着煤的形成而产生的，它对于人体进行井下作业带来了很大的安全隐患，因此对于井下相关气体浓度的探测和控制是十分有必要的，也是矿井行业安全监测的重中之重。当然，这只是矿井行业需要考虑的一方面而已。另外，对于井下环境湿度、温度、光照强度等参数的实时探测也是必不可少的。

1 井下探测相关研究现状

煤矿井下环境探测可以利用机器人来代替人进入人不能进入或者不适宜进入的危险环境中。人类通过无线传感网络来操作机器进行井下环境的探测，机器将传感器所采集到的数据通过无线传输到井上的操作人员，从而给矿井作业提供有用的参考。

煤矿机器人是一种非结构化环境下的特种机器人，目前在这方面所进行的研究有很多。通过查阅相关文献，可以得知在我国进行井下探测方面的研究成果主要有如下这些。

针对硬件相关方面的成果有：魏毅龙在学术论文中首先结合煤矿事故分析了机器人的使用策略和作用，并针对机器人所面对的井下地形环境和气体环境提取出了相应的参数。其次，设计了相应的机器人模型并进行了性能评估。最后，对设计出的机器人模型工进行了实验仿真，再次验证了设计的合理性[3]。胡晗提出了一种带机械手臂的煤矿井下探测机器人，并从运动学动力学分析、结构造型、正向越障角度规划和样机仿真等相关方面展开了研究。毛杨明在其论文中对煤矿井下探测机器人的动力模块和电源模块展开了相关研究，并最终设计了一种可应用于井下探测的机器人电机和配套电源。并且通过对电机进行了防爆检验和电源的安全技术测试，表明了设计的正确性[4]。徐刚根据井下环境探测机器人的相关研究现状，最终提出了一种设计方案，该方案设计提出将摆臂驱动减速机构集成到了摆臂单元中，实现了一种新型的8自由度煤矿井下探测机器人[5]。

针对软件方面的成果有：孟庆志研究了移动机器人的相关体系结构和控制模式，建立了一种有效的人机交互控制体系结构模型。它融合了层次式的相关控制体系，能够将人的综合判断推理融入系统中，使得机器更加智能。另外，基于开放性和模块化的设计思想，设计了相关的系统分布式控制网络，使得机器人系统更加稳定可靠。最后，在人机交互控制构架下，提出了一个较为合理的探测机器人越障任务实现方法[6]。邓勇军以煤矿井下探测机器人作为研究对象，通过分析其监控系统的任务和要求，结合远程控制技术和视频监控技术，最终设计出了一套井下探测机器人远程监控系统[7]。周巍等人针对煤矿井下的复杂环境，设计出了一种新型的井下搜救探测机器人运动装置和相应的控制系统[8]。付志超研究了井下探测机器人的自主避障问题，并结合了信息融合技术来对机器人在井下复杂环境的导航进行了相关研究。最终在计算机上进行了仿真实验，验证了所用方法的可行性[9]。

上述研究成果在井下探测机器人方面做出了很大的贡献，但在针对井下复杂环境的探测方面略显单一。因此，本文设计的基于ZigBee技术并集成了多种传感器检测的井下探测小助手，在井下探测方面具有一定的应用价值。

本文重点介绍井下探测小助手的ZigBee无线传感技术以及多种传感器组合技术。本文接下来将详细论述井下探测小助手的方案设计。

2 小助手方案设计

为了达到对井下复杂环境的探测需求，本文设计了一种基于ZigBee技术并集成了温湿度、超声波、一氧化碳、光照强度和红外线检测总共5种传感器检测的井下探测小助手。接下来是对小助手的具体方案设计。

2.1 ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的双向无线网络通信技术，它具有短距离、低数据传输速率、低功耗以及低成本的特点。它主要在近距离进行无线连接，尤其适合自动控制和远程控制等领域，目前在嵌入式中应用较多。基于自身的无线电标准，ZigBee可以在几千个很小的传感器之间进行协调通信。传感器之间的数据传输只需要消耗很少的能量就可以通过无线电波而实现。

ZigBee具有以下优点：

1）使用成本低。ZigBee可以免费应用在ISM2.4GHZ的频段上，其相关协议免收专利费。并且在单个的ZigBee节点上只需花费几百元就可以完成。

2）功耗低。由于其发射功率只有1毫瓦，因此只需要两节5号的电池就可以让ZigBee节点设备运行6个多月。

3） 网络容量大且组网方式灵活。通常在一个ZigBee网络中最多可容纳255个结点，但是通过网络协调器，其容纳节点数可达65536个之多。

4）运行可靠。ZigBee通过采取碰撞避免策略，很好地避开了数据发送的冲突和竞争。

2.2 相关传感器

本文所设计的井下探测小助手集成了温湿度、超声波、一氧化碳、光照强度和红外线检测总共5种传感器，很好地为井上工作人员提供了有效的参考。

1）温湿度传感器

本文所设计的井下探测小助手采用的是DHT11数字温湿度传感器。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，使得设计出的机器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。它具有超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，另外它使用4针单排引脚封装。连接方便。图1为DHT11数字温湿度传感器的部分截图。

2）超声波传感器

超声波传感器主要对井下探测小助手的运动进行辅助，通过发出超声波来进行定位操作，测量出与障碍物之间的距离，从而进行避障处理。当超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。由于超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=340t/2。本文所采用的是超声波传感器为图2所示。

3）一氧化碳传感器

井下环境错综复杂，工作人员在不了解井下空气状况的情况下贸然下井是十分危险的。在通常状况下，一氧化碳是无色、无臭、无味、有毒的气体，具有可燃性，还原性和毒性。一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，进而排挤血红蛋白与氧气的结合，从而出现缺氧，导致人体中毒。本文所采用的一氧化碳传感器为图3所示。

4）光敏传感器

光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。本文所采用的光敏传感器为图4所示。

5）红外测距传感器

本文设计的井下探测小助手携带红外测距传感器，测距范围5～80cm，输出模拟电压，电压与距离成曲线关系，可通过电压换算出机器人距离障碍物的准确距离。由于超声波传感器通过输出脉冲信号进行测距，测距范围10～400cm，因此加上精确测距的红外线传感器，机器人可以实现自主漫游，自动避障。本文所采用的红外测距传感器为图5所示。

2.3 小助手结构

文中所设计的井下探测机器人安装有ZigBee无线通讯模块，工作人员可以使用PC连接ZigBee协调器对它进行远程控制。另外，在小助手中通过上述阐述的温湿度、超声波、一氧化碳、光照强度和红外线检测5种传感器来采集井下环境的数据。图6为井下探测小助手整体平面图。

另外，小助手包含无线履带，在其内部可以看到模块化的机器人控制电路，包含：机器人控制器、电源电路、驱动器、通信模块等。工作人员通过ZigBee无线传输模块可以在PC上接收到小助手反馈回来的相关传感器数据，并且可以对其进行远程控制。在PC上，通过点击前进、后退、左转、右转和停止等选择项可以控制小助手在井下运动。图7为PC上小助手控制台界面。

` 结语

本文通过对井下探测相关机器人进行研究，最终设计出了一种基于ZigBee技术并集成了温湿度、超声波、一氧化碳、光照强度和红外线检测总共5种传感器检测的井下探测小助手。该探测小手对于井下环境数据采集良好，数据传输稳定，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1] 刘鹏. ZigBee无线传感器网络在煤矿安全环境监测中的研究与实现[D]. 辽宁工程技术大学， 2008.

[2] 尹红敏. 基于ZigBee的矿井安全监测系统设计[D]. 中北大学， 2013.

[3] 魏毅龙. 煤矿井下探测与搜救机器人机械系统设计与研究[D]. 中国矿业大学， 2014.

[4] 胡晗. 煤矿井下探测机器人机构与特性分析[D]. 太原理工大学， 2014.

[5] 徐刚. 轮履复合式煤矿井下环境探测机器人设计与分析[D]. 太原理工大学， 2011.

[6] 孟庆志. 煤矿井下探测机器人人机交互控制系统[D]. 山东大学， 2011.

[7] 邓勇军. 煤矿井下探测机器人的远程监视与控制[D]. 太原理工大学， 2010.

[8] 周巍， 李元宗， 牛志刚. 煤矿井下搜救探测机器人及其控制系统设计[J]. 矿山机械， 2009（19）：7-10.

[9] 付志超. 基于信息融合技术的煤矿井下探测机器人检测系统研究[D]. 太原理工大学， 2010.