A Coal Mine Environmental Monitor System with Localization Function Based on ZigBee-Compliant Platform

Dongxuan Yang

College of Computer and Information Engineering

Beijing Technology and Business University

Beijing, China

Yan Chen

College of Computer and Information Engineering

Beijing Technology and Business University

Beijing, China bjchy2003@163.com

Kedong Wang

College of Computer and Information Engineering

Beijing Technology and Business University

Beijing, China

Abstract—This paper describes and implements a new type of coal mine safety monitoring system, it is a kind of wireless sensor network system based on ZigBee technology. The system consists of two parts underground and surface. Wireless sensor networks are constituted by fixed nodes, mobile nodes and a gateway in underground. PC monitoring software is deployed in the surface. The system can not only gather real-time environmental data for mine, but also calculate the real-time location of mobile nodes worn by miners.

Keywords- ZigBee; localization; wireless sensor networks; coal mine

1. RESEARCH STATUS

As an important energy, coal plays a pivotal role in the economic development. Coal mine monitoring system, is the important guarantee for coal mine safety and high efficiency production [1]. In order to ensure the safe operation, the installation of environment monitoring node in tunnels to real- time detection is very important. However, commonly used traditional monitoring node wired connection to obtain communication with the control system, this node exist wiring difficulties, expensive and other shortcomings. In contrast, wireless sensor node can be easily with current mine monitoring network connection, and good compatibility, facilitate constituted mine gas monitoring network, to suit various size of mine applications. Since wireless nodes are battery powered, so completely out of the shackles of the cable, shorten the construction period can be arranged at any time where the need to use.

The ZigBee wireless communication technology is used in this coal mine environmental monitor system. This is a new short-range, low complexity, low power, low data rate, low- cost two-way wireless communication technology [2]. Now, wireless sensor network product based on ZigBee technology are quantity and variety, but the real product can be applied in underground environments of special sensor node is very few [3]. The sensor node that we designed in the system is truly able to apply to in-well environment, it through the wireless sensor node security certification. At the same time, due to the special nature of the wireless network is that it can spread the

wireless signal, we can easily locate staff for coal mine safety monitoring provides more protection [4].

1. SYSTEM ARCHITECTURE

This system is a comprehensive monitoring system which is combined with software and hardware. Hardware part includes wireless mobile nodes and fixed nodes which were deployed in the underground tunnel, the main function of them is to collect coal mine environment data and require personrsquo;s location. Software part refers to the PC monitoring software which is designed in VC is used to summarize and display the data of each node. Monitoring node is divided into mobile nodes and fixed nodes; they are using ZigBee protocol for wireless transmission of data. Because the fixed node is also using wireless data transmission method, so its deployed in the underground roadway becomes very convenient. As the mobile node is carried by the miner, it must be using wireless transmission method. This allows the mine to form a topology of ZigBee wireless sensor network. The fixed node in wireless sensor network is router device and the mobile node carried by miner is the end device. Normally, the router of ZigBee network has no sensor equipment; it is only responsible for data forwarding. But considering the practical application, we believe that add sensor devices on the router will be better on monitoring underground coal mine environment. So in our design, the router also has an environment monitoring function which is usually designed in end device.

Fixed node will sent received data from mobile node to the gateway, then the gateway transmits data to monitor computer through RS232 or optical fiber. The PC monitor software in the computer will process all data and display them in a visualization window. The PC software also calculates each mobile nodersquo;s real-time location through the specific localization algorithm, according to the received signal strength (RSSI) obtained from mobile nodes.

1. NODE DESIGN

Since the ZigBee wireless network platform sold on present market was designed for the general environment, for special underground so they are not suitable for the environment.

This paper was supported by science and technology projects of Kunshan city of Jiangsu Province of China under Grant No.KC0919 and Science and Technology Innovation Foundation of Beijing Education Commission (No.201151)

978-1-4244-6252-0/11/$26.00 copy;2011 IEEE

Therefore, we need to customize the system for underground environment whit a special hardware circuit. Node photo are shown in Fig. 1

Then wireless microcontroller CC2530 chip is the core processor of the node device, it can constitute a ZigBee network with very few peripheral circuits. The CC2530 is an IEEE 802.15.4 compliant true System-on-Chip, supporting the proprietary 802.15.4 market as well as the ZigBee, ZigBee PRO, and ZigBee RF4CE standards. Unlike other wireless chip, CC2530 built-in 8051 monolithic integrated circuits kernel, therefore we no longer need to use a single MCU to control the circuit, and this save us a lot of cost [5].

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基于ZigBee兼容平台的具有定位功能的煤矿环境监测

杨东轩 陈燕 王克东

计算机与信息工程学院

北京工商大学

摘要：本文介绍并实现了一种基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统，它是一种基于ZigBee技术的无线传感器网络系统。该系统由以下两部分组成 地面和地面。无线传感器网络由固定节点、移动节点和地下网关组成。上位机监控软件部署在表面。这个系统不仅可以 矿山R实时环境数据，还计算了矿工穿戴的移动节点的实时位置。

关键词：ZigBee；定位；无线传感器网络；煤矿

1 研究现状

煤炭作为一种重要的能源，在经济发展中起着举足轻重的作用。煤矿监控系统，是煤矿安全高效生产的重要保证。在奥德 为了保证隧道的安全运行，在隧道中安装环境监测节点进行实时检测是非常重要的。然而，常用的传统监控节点有线连接。 为了获得与控制系统的通信，本节点存在布线困难、成本昂贵等缺点。相反，无线传感器节点可以很容易地使用当前的地雷监测n。 网络连接，兼容性好，便于组建矿井瓦斯监测网络，适合各种规模的矿山应用。因为无线节点是电池供电的，所以完全没有 该钢丝绳的枷锁，缩短了施工周期，可随时安排任何需要使用的地方。

将ZigBee无线通信技术应用于煤矿环境监测系统中。这是一种新型的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信系统。 通信技术[2]。目前，基于zigbeee技术的无线传感器网络产品数量众多，种类繁多，但真正的产品可以应用于特殊传感器的地下环境中。 节点很少[3]。我们在系统中设计的传感器节点能够真正应用于井内环境

它通过无线传感器节点的安全认证。同时，由于 无线网络的特殊性在于它能够传播无线信号，可以方便地定位人员，为煤矿安全监测提供更多的保障[4]。

2 系统结构

该系统是一个软硬件相结合的综合监控系统。硬件部分包括无线移动节点和部署在地下tunn中的固定节点。 其主要功能是采集煤矿环境数据，要求人的位置。软件部分是指在VC中设计的上位机监控软件。 并显示每个节点的数据。监控节点分为移动节点和固定节点，它们采用ZigBee协议进行无线数据传输。因为固定节点也使用 无线数据传输方式，使其部署在地下巷道变得非常方便。由于移动节点是由矿工承载的，因此必须采用无线传输方式。这，这个 允许地雷形成ZigBee无线传感器网络的拓扑结构。无线传感器网络中的固定节点是路由器设备，由矿工携带的移动节点是终端设备。通常，r ZigBee网络外部没有传感器设备，只负责数据转发。但考虑到实际应用，我们相信在路由器上增加传感器设备会更好。 地下煤矿环境监测。因此，在我们的设计中，路由器还具有环境监控功能，通常是在终端设备中设计的。

固定节点将接收到的数据从移动节点发送到网关，然后网关通过RS 232或光纤将数据发送给监控计算机。计算机中的pc监控软件 提取所有数据并将其显示在可视化窗口中。pc软件还根据接收到的数据，通过特定的定位算法计算每个移动节点的实时位置。 从移动节点获得的信号强度(RSSI)。

3 节点设计

目前市场上销售的ZigBee无线网络平台是为一般环境而设计的，适合特殊的地下环境，不适合环境。因此，我们需要为地下环境定制一个特殊的硬件电路。节点图片如图1所示。

图1 节点照片。

然后无线微控制器CC2530芯片是节点设备的核心处理器，它可以构成具有很少外围电路的ZigBee网络。CC2530是符合IEEE802.15.4标准的真 芯片系统，支持专有的802.15.4市场以及ZigBee、ZigBee Pro和ZigBee RF4CE标准.不像其他无线芯片，CC 2530内置8051单片集成电路。 因此，我们不再需要使用单一的单片机来控制电路，这为我们节省了大量的成本[5]。

4 移动节点

移动节点是ZigBee网络的终端设备，可以由矿工携带，它应该是一个便携的、低功耗的节点。因此，我们设计的移动节点只有移动节点那么小。 它是由内置的锂离子电池供电。在功耗方面，核心处理器CC 2530是一种低功耗芯片，当它处于休眠状态时，只需使用小于1u的芯片即可。 工作电流。为了尽可能地降低显示上的功耗，使用了一个100*32像素矩阵，没有背光液晶屏幕。移动节点的电池容量为15 嗯，所以这足够满足矿工在地下长时间工作的需要了。电池充电管理芯片TP 4057，最大充电电流可达500 mA。

移动节点电路包括气体浓度传感器MJ4.0和温度传感器PT-1000.据我们所知，许多无线传感器平台都使用数字传感器。通讯 数字传感器和MCU之间需要严格的定时要求。但考虑到实际应用，如果使用MicroC，无线MCU通常通常具有实时操作系统。 计算机要模拟严格的定时，就会影响整个操作系统的实时性.这两个传感器输出模拟信号，而不是数字信号。只将此信号输入微分a 可通过CC 2530芯片中的ADC模式将适当的信号转换成数字信号。为了便于携带，外部我们的移动节点没有使用天线，而不是使用2.4GHz的贴片天线。我们定制了一个外壳，就像手机大小一样；它足以把所有的多氯联苯、传感器和电池都放进去。进入 由于小壳的爆炸性能不是很好，多氯联苯的设计和构件的选择都进行了安全性评价。

5 固定节点

固定节点安装在地下隧道的墙壁上。因为它比移动节点大，所以不适合携带。固定节点的电路与团簇基本相同。 Ile节点，它还采用CC 2530芯片作为核心处理器。由于地下隧道一般配置有电力电缆，固定节点可以采用电缆供电方式.同时，因为我们用 无线信号的传输，使得新的固定节点的部署变得非常方便，这也解决了信号线的部署问题。

作为一个固定节点，正在做工作的未成年人可能远离它，为了方便矿工观察周围固定节点周围的环境数据，它采用LED数字显示。同时， 电路中设计了大电流LED灯和蜂鸣器，实现了具有声光报警功能的固定节点。考虑到它可能发生无电的紧急情况，修复 ED节点还内置了锂离子电池。在正常情况下，锂离子电池处于充电状态，当外部电缆断开时，固定节点自动切换到电池电源。 H可以保证移动节点通过地下固定节点传递信息。

不考虑固定节点的可移植性，我们有一个定制的外壳，具有优良的爆炸性能，内部空间足以容纳2.4GHz天线。为了确保安全， 所有的电缆和传感器的位置都是用特殊的胶水密封的，所以它有一个很好的密封。

6 定位功能

无线传感器网络的重要功能之一是定位，尤其是在地下隧道中，它涉及矿工生命的安全。目前最广泛使用的Orientatio N方法是GPS卫星定位，它是一个具有无线电导航、定位和定时功能的高精度、全天候、全球多功能系统。但是GPS定位方法 OD不适合煤矿井下工作环境，一旦进入地下，就无法接收卫星信号，从而无法达到目标[6]。我们需要考虑一下 利用无线网络实现定位功能，是指利用无线信号之间的通信设备进行定位。现有的无线距离测量技术 Ess-设备基本上是以下几种方法：TOA、TDOA、AOA和RSSI.

关于TOA方法，两个器件之间的距离由光速和透射时间的乘积[7]决定。虽然这种方法的精密度是准确的，但它的精密度很高。 由于时间同步精度高，对硬件要求更高。

TDOA技术需要超声波信号，它设置在一个具有接收和传输功能的节点上。测量距离时，可将超声波和无线信号一起发送。被测 g两个信号到达时间的差异，我们可以计算出两个设备之间的距离[8]。采用这种方法也可以得到准确的结果，但需要增加超声波。 节点电路上的发送和接收装置，会增加成本。

AOA技术需要通过节点安装多个天线，才能在不同的方向上获取相邻节点的信号。这样就可以从numbe确定位置信息。 计算相邻节点的r值并计算其自身位置。这种方法不仅需要增加额外的硬件，而且还很容易受到外界的干扰，因此不适合于用户。

RSSI测距是一种廉价而简单的技术。通过使用这种方法，我们不需要增加额外的硬件设计。我们也不需要非常精确的时间要求。这个技巧和我有关 在损耗的传播中分配无线信号的强度，测量两个节点之间的距离。由于这种方法对硬件设备的要求较小，算法简单，因此，对硬件设备的要求较低。 在许多无线通信领域得到了广泛的应用。综合所有条件，定位使用RSSI测距技术。

7 硬件定位引擎

TI公司生产的CC 2431无线微控制器芯片具有硬件定位引擎。从软件的角度来看，CC 2431的硬件定位引擎有一个非常简单的api接口， 只要写入必要的参数并等待计算，就可以读取定位结果[10]。

硬件定位引擎也是基于RSSI技术的。定位系统包括参考节点和盲节点。参考节点是位于已知位置t的固定节点。 节点知道它们的位置，并向其他节点发送数据包通知。盲节点接收来自参考节点的数据包，这些节点可以获得引用节点的位置和相应的rssi值以及 将它们放入硬件位置引擎中，然后从引擎[11]中读取盲节点的位置。

表面上，以CC 2431硬件定位引擎为目标程序是一个不错的选择，但考虑到实际应用，它会遇到以下问题。首先，我们 选用CC 2530作为系统固定节点的主芯片，其内部程序运行在ZigBee 2007协议中，而CC 2431作为早期芯片，只适用于ZigBee 2006协议。在t CC 2431和CC 2530之间的通信将出现兼容性问题。其次，CC 2431硬件定位引擎采用分布式计算，计算所有移动节点的位置。 然后将信息上传到网关节点，这样不仅占用了移动节点的处理时间，还可以占用更多的网络资源。因此，我们必须 根据这种方法，考虑如何使用CC 2530芯片实现位置。

8 软件定位引擎

如果我们要使用CC2530来实现定位功能，我们必须自己编写软件定位引擎。因为该芯片在其内部没有硬件定位引擎。该软件 定位引擎仍然采用RSSI技术，同时利用PC软件计算移动节点的位置，从而减轻移动节点计算的负担。若要计算移动节点位置，请执行以下操作 离子，必须有至少三个参考节点。我们将将路由器节点视为网络中的参考节点，并记录每个参考节点的x、y坐标。然后我们让移动节点发送 向每个参考节点发出信号，使每个参考节点都能得到一个rssi值，在这些参数下，我们可以使用三边测量方法来计算移动n的指定位置。 颂歌。更简单的方法是给移动节点广播发送数据的方式，然后每个路由器节点从移动节点接收数据，从而得到RSSI值。移动节点nu 由于路由器节点接收到的每一条无线信息都将从低层传输到上层，这种方法增加了路由器节点的负担。最后AP 应用层将分析数据包。事实上，移动节点不需要广播传输的数据，其他路由节点也可以接收移动节点的数据包。的唯一子移动节点。 路由器节点将继续向上发送数据包，其他路由器节点将屏蔽协议底部的数据包。

为了让所有路由器节点能够接收移动节点发送的数据包，并将其rssi值发送到网关节点，需要修改Z-Stack协议wh中的相关功能。 ICH由TI提供。首先，我们找到了名为FindComingData的函数，它处理来自协议底部的接收到的数据，在该函数中，我们添加一些可以获得数据包的RSSI值的代码。那么 通过硫柳汞_SET_EVENT函数将RSSI值任务的事件My_RSSI_Report_EVT添加并发送到硫柳汞轮询系统。此事件的相应函数将在salint任务中执行。 中断驱动功能，因此移动节点对应的RSSI值将被发送到网关节点.通过这种方法，数据包只能通过协议的底层函数进行处理。依宾 对于这种方法，我们可以得到相应的RSSI值，节省移动节点的计算时间。

实际上，这个软件定位引擎并不是用单个移动节点来实现的，而是通过整个系统的运行来实现的。移动节点只负责发送 g单播包。移动节点的父路由器节点负责将数据包转发到网关。其他路由器节点不负责转发此数据包，只需裁剪移动。 节点的RSSI值，然后转发到网关。最后，网关将移动节点的所有RSSI值带到PC监控软件中，计算出相应的移动节点的位置。在o 为了减小误差，监控软件会收集RSSI值的10倍并取平均值，然后选择三个固定节点的最近值。最后，三边测度 提出了移动节点位置的计算方法。

9 系统实施

所有嵌入在节点中的软件系统都是基于Z-Stack的.由于Z-Stack是一个开源项目，因此对二次开发非常有利.这些节点在一个实际的煤矿中进行了测试。 e位于山西省。我们在隧道中每隔50米部署一个固定节点，并在工作区的每个入口设置一个固定节点。因为固定节点有大尺寸的数字LED d。 ISPlay，这样就可以看到固定节点的显示内容远离矿工。每个矿工携带一个移动节点，温度和气体浓度显示在lcd屏幕上。 Maine 美国缅因州州名

通过与控制室监控计算机相连的RS 232电缆，将网关节点放置在矿井入口处。在本系统中，网关节点收集的所有数据包都是 通过串口传输到PC机，可以将历史数据备份保存到SQL数据库中。监控软件的主要功能是显示和存储各节点的数据，并进行计算。 ES根据RSSI值与移动节点的位置相关。监控软件有两个主要的对话框接口，一个用来显示煤矿的二维剖面，用户可以看到。 所有矿工的工作位置。另一个接口是数据显示接口，这里显示了环境数据。这幅画PC监控软件如图2所示。

图2.PC监控软件

10 系统评价

通过对系统的反复测试，使系统得到了客观的评价。首先是对节点硬件的功耗评估，固定节点的工作电压在9V~24V之间。 由电缆提供。固定节点的最大工作电流为93 mA，平均工作电流为92.2mA。当电缆断开时，固定节点由锂离子电池供电.在hellip;hellip;上面 电池供电时，固定节点的最大工作电流为147 mA，平均工作电流为146.3mA。固定节点至少可以在电池电源上工作8小时。

另一个相当重要的性能是系统性能的位置函数。在隧道和工作区域的四个不同地点，移动节点被放置在那里。两套不同 平均误差数据见表1。由于该系统采用了RSSI技术，且主要依赖于信号强度，因此信号质量会受到干扰的影响。从不同 我们可以看到，工作区域的误差比隧道中的误差大，因为隧道一般是直线的，但工作区域

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