煤 矿野外生产生活区高位水池无线检测系统——一种基于Zigbee技术的无线传感器网络实例

天地（常州）自动化股份有限公司 刘艳玲

西安奥森测控技术有限公司 王 鼎

一、引言

由于煤矿企业野外生产、生活区地处偏远无自来水供给，因此均建有高位水池，为生产、生活、消防提供用水。生活区位于山坳中，蓄水池位于山腰较高处。由于当地地势原因，高位水池地理位置距生活区泵站较远，在存水位变化情况无法反馈给泵站以控制泵站泵水问题。系统使用前，工作人员需每隔两小时从山下爬到蓄水池处观察水位高度，重复劳动，耗时耗力，给生产生活带来极大不便。“煤矿野外生产生活区高位水池无线检测系统”通过无线传感器网络技术将液位、温度信息通过Zigbee网络传输至监控中心。监控中心收到远传数据并通过软件在工控机上显示，按预先设定的上下限进行声光报警。工作人员直接查看 现场检测数据，控制泵的启停。通过无线传感器网络技术的应用，将工作人员和现场检测设备之间进行无缝连接。工作人 员通过本套系统远距离实时感知检测对象各项参数变化情况，及时 发现问题，解决问题，防患于未然。提高了检测时效性和风险预警能力，降低了工作人员劳动强度。

图2 智能Zigbee温度、液位变送器

图3 现场温度、液位检测设备

二、Zigbee无线传感器网络

无线传感器网络（Wi reless Sensor Network，WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络所有者的。广泛的应用于军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。无线传感器网络技术是物联网技术的进一步推广应用。

图4 太阳能电源管理结构图

图5 路由（左），接收（右）

无线传感器网络具有以下特点：

（1）大规模：为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。

（2）自组织：能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

（3）动态性：传感器网络的拓扑结构能够随着实际应用而改变。

（4）可靠性：各个传感器节点具有鲁棒性和容错性特点，因此传感器网络具有可靠的通信保密性和安全性，杜绝监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。

本系统是以2.4GHz Zigbee①无线网络为基础，实现无线传感器网络技术。本套系统分为现场供电、现场数据采集、无线传输三部分。Zigbee网络传输要求相邻两个节点之间可视，由于现场高位水池与污水站监控中心存在遮挡物（风机房），因此设计网络拓扑图如图1所示。

整套系统传输网络分为终端、路由、接收三部分。终端采用低功耗Zigbee无线传感器采集温度、液位信息，将温度、液位模拟量信息转换成串行数字信息，MCU将数字信息打包、加密并加上地址包头交个Zigbee通讯模块。Zigbee通讯模块通过无线网络将数据发送至路由结点。路由节点收到信息后，解析数据包头，产看是不是发送给自己的信息，如果是将信息留下，如果不是将信息发送至下一个结点。信息最终通过几级路由跳跃传输至地址对应的接收模块。接收模块将数据解密，通过RS485串口转交给工控机。工控机通过图形、表格的形式将数据呈献给工作人员。

三、终端

本系统终端采用智能Zigbee温度、液位变送器，由高性能扩散硅压阻式压力传感器、Pt1000温度敏感电阻作为测量元件，把与液体的温度、静压准确测量出来，并经过信号ADC采集到成数字信号，通过2.4GHz Zigbee网络传输至检测中心。实现远程实时在线对液体深度、温度的测量。如图2所示，智能Zigbee温度、液位变送器采用微功耗电源管理设计，根据用户设定的工作周期，定时采集液位、温度、电池电量、报警值等信息，并主动上传。在3.8V锂离子电池供电下，变送器发送数据电流小于200mA（0.2A）。数据完成采集和上传后变送器进入深度休眠状态，休眠电流小于10uA（0.00001A）。通过该技术，仪表仅在工作时消耗较大的电流，休眠时仅有微小的电量消耗，为系统在液位环境下的长期使用提供硬件保障。

如图4所示，由于测量现场无法提供公网电源供电，因此现场采用太阳能电池板供电。在天气状况良好的情况下，太阳能电池板给锂离子电池充电。锂离子电池为智能Zigbee温度、液位变送器（如图3所示）提供电源供给。当天气状态较差时，锂离子电池为智能Zigbee温度、液位变送器提供至少15天的工作电量，为系统在野外环境下免维护长期使用提供电源保障。

四、路由

Zigbee无线通讯技术要求，相互传输数据的两个节点之间可视且无障碍物。两个节点之间有障碍物可通过增设路由节点实现互联互通。终端与接收之间无法直接可视，增设路由点，终端和路由可视，接收和路由（如图5所示）可视，实现了终端和接收的间接可视，实现终端和接收之间数据交互。

本系统路由模块设置在风机房顶上，终端和路由之间可视，接收和路由之间可视。路由需要实时在线，因此采用有线电源供电，从风机房直接获取AC 220V交流电，为Zigbee路由模块提供持续电源。Zigbee路由模块实时在线接收并换发信息至下一个路由节点或者数据接收模块。本系统通过路由模块为桥梁绕过了，障碍物风机房，实现了终端与接收模块的互传互联。

五、接收

本系统接收模块设置在污水站数据监控中心，和路由节点之间可视。路由节点接收到终端发送到的数据后，转发给接收模块。接收模块解密数据，将数据通过RS485接口，以Modbus协议传输给监控中心工控机。

监控中心工控机运行数据检测软件，数据检测软件将数据按照协议解析，并将液位、温度、电池电量、报警值等信息以Excel表格的形式存储，以图形形式直观展示给工作人员。工作人员根据检测到的现场信息，调整高位水池储水液位。

六、结论

本系统已经在山西某煤矿稳定运行1年之久，期间设备运行稳定、数据传输实时性强，解决了矿区对于高位水池液位、温度等的检测需求。方便了矿区生产生活，减轻了工作人员的劳动强度，为企业节省了人力资源开支。本套系统是无线先传感器网络技术的实例应用典范，为无线传感器网络技术推广提供参考依据。

注释：

①Zigbee:Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,是一种短距离、低功耗的无线通信技术。具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等特点。

[1]林健,陈寿元.基于ZigBee的物联网森林防火系统设计[J].科技信息,2012(19).

[2]张静静,赵泽,陈海明,崔莉.EasiSolar:一种高效的太阳能传感器网络节点系统设计与实现[J].仪器仪表学报,2012(9).

[3]郭怡婷.ZigBee无线通信网络技术综述[J].科海故事博览.科教创新,2011(4).

[4]孙利民,李建中.无线传感器网络[J].北京:清华大学出版社,2005.