煤矿井下安全监控系统的研究软件部分(附件)
我国是产煤大国，但煤矿井下环境复杂，开采不便。 为了实现井下环境的实时安全监测，本课题设计出了基于ZigBee无线传感网络的矿井安全监控系统。该系统以CC2530芯片为核心，通过各类传感器实现对煤矿井下瓦斯浓度、温湿度、风速、水仓水位等环境参数的采集，利用ZigBee无线网络实现数据的短距离无线传输。此外，本系统还能在参数值超出限定值时，驱动蜂鸣器报警，通知工作人员及时处理。 最后实践表明，本设计组网灵活、数据传输快、稳定性好、功耗低，具有较高的实用价值。关键词 监控系统，无线传感器网络，zigBee技术，CC2530目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景 1
1.2 课题研究的国内外现状及发展趋势 1
1.3无线数据传输的特点 2
1.4课题研究的目的及主要内容 3
2 系统的总体设计 4
2.1方案比较 4
2.2设计要求 6
2.3 基于CC2530的无线数据传输模块的功能分析 7
2.4 基于Zigbee的煤矿井下安全监控系统的总体设计方案 7
3 煤矿井下安全监控系统的软件设计 9
3.1系统软件总体设计 10
3.2 终端节点程序设计 10
3.3 协调器节点程序设计 22
3.4软件调试 33
结 论 35
致 谢 36
参考文献 37
附录A部分程序代码 39
附录B部分传感器原理图 54
1 绪论
1.1 课题的研究背景
我国矿产资源非常丰富，尤以煤炭资源为首，但其一般地处山区，开采条件严峻，自然灾害频发，47%的矿井属于高浓度瓦斯井。为了保障煤炭资源的安全开采，除了进一步提高煤矿开采过程中相关工作人员的安全意识外，更需要根据现实情况建立一套符合现代化生产的煤矿井下安全监控系统，形成井上、井下安全可靠的报警体制和管理决策信息通道。所以目前矿井的生产不仅要解决煤矿生产中的安全问题、自动化问题，还要了解各种生产经营信息。国务院发布《关于进一步加强企业安全生产工作的通知》，从而更进一步提高各个煤矿企业安全生产的水平[1
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于高浓度瓦斯井。为了保障煤炭资源的安全开采，除了进一步提高煤矿开采过程中相关工作人员的安全意识外，更需要根据现实情况建立一套符合现代化生产的煤矿井下安全监控系统，形成井上、井下安全可靠的报警体制和管理决策信息通道。所以目前矿井的生产不仅要解决煤矿生产中的安全问题、自动化问题，还要了解各种生产经营信息。国务院发布《关于进一步加强企业安全生产工作的通知》，从而更进一步提高各个煤矿企业安全生产的水平[1]。煤矿山以及非煤矿山都应该制定并贯彻落实生产技术装备的标准，必须要安装监控系统、井下工作人员定位系统、紧急避险控制系统、供水施救系统和通信联通系统等，并且必须在规定的时间完成安装。
1.2 课题研究的国内外现状及发展趋势
1.2.1我国矿井安全监控系统的现状
随着科学技术的不断发展，我国一些科研研究所的专家结合我国煤矿的实际情况，加上对国外一些先进技术的参考，自主研究开发出了一系列的监控系统，如KJ92、KJ95[2] 等，但是我们都知道任何系统在研究的初期，都存在很多不足，需要我们在使用过程中不断发现问题，才能有效的解决问题。我国矿井安全监控系统研究初期，存在了通用性差，智能化低等缺点。
以下为现存系统存在问题的具体分析：
(1)现存的系统一般都只有单一的功能，大多数是根据特定对象而设计的（如环境安全，改善交通运输等），并且我国的设备和配件间因为没有统一的标准，彼此间不能通用，因此对系统的升级和扩展造成了巨大的障碍。
(2)我国煤矿井下安全监控系统主要使用RS485串行通信总线传输，RS485通讯的最突出问题就是通信过程很容易受到其他因素的干扰，并且控制系统采用主从结构的控制方式，这种控制方式存在的突出问题是不能同时建立多个冗余的主站，从而不能利用现有的控制总线实现各子站间的相互控制。另外，这种系统很难兼容，而且它的可靠性也很低，并不能对煤矿生产的过程实时监控并有效反映。
(3)现有的煤矿井下安全监控系统主要停留在对参数的采集、存储、监控等的基础功能上，当采集到的数据超出限定范围时就会报警，提醒相关工作人员。但是这种系统只是对采集到的数据进行简单的利用，并不能对整个煤矿安全系统实现安全监管的功能。
(4)虽然现有的煤矿井下安全监控系统能够接收到报警信号，并通知相关人员做出应急处理，对系统进行故障诊断，但常常由于系统不能及时维护，导致煤矿生产不能顺利进行。因此，我们需要建立远程智能故障诊断系统和远程智能维护系统。
(5)现有的系统无法对矿山的事故进行预测和报警，无法避免事故的发生。
1.2.2我国矿井安全系统发展趋势
随着通信技术的不断发展，矿井安全监控系统已经从有线系统发展到了无线系统，并不断向自动化、网络化、集成化的方向发展。起初，矿井安全监控系统中的数据传输方式非常单一，一般采用空分制信号传输方式。这种传输方式不对采集到的数据信号进行调整分析，只是简单的原样传输。当我们发现系统中的不足就对系统进行了改进。第二阶段，煤矿井下安全监控系统常常采用频率区分信道的频分制信号传输方式,很大程度减少了信号传输电缆的芯数，节约了成本[3]。第三阶段，煤矿井下安全监控系统一般采用分时区分信道的时分制信号传输方式。这一阶段与前两个阶段相比有了明显的进步和优势，这一时期的系统已经比较成熟，通信方式也有了质的飞跃，突出的是，这一阶段的系统对通信规程比较严格，抗干扰能力也在不断增强，另外，它们具有结构简单、配置灵活的特点。第四阶段，煤矿井下安全监控系统的传输方式虽然仍然属于时分制范畴，但是在处理技术上做出了改进，通常采用分布式微处理器技术，该阶段的系统已经非常成熟了，它们的突出特点是具有很强的开发性、高度的集成性和实时网络化等。
1.2.3国外矿井安全监控系统的现状及发展趋势
国外煤矿井下安全监控系统自20世纪末以来，随着大量的电子技术、计算机技术的迅猛发展，很多采煤国家利用无线传感技术，实现了机电一体化，将数据、图像、影音融于一体，实现了综合采矿的功能，实现了保持通风、及时排水、持续供电以及按时运输的自动化控制，实现了井下瓦斯浓度、温度、风速、水仓水位等井下环境参数的自动化监测和控制。
1.3无线数据传输的特点
无线传感网络与传统网络相比有很多优点。其综合了传感器技术、无线通信网络技术、嵌入式技术、微机电技术以及分布式信息处理技术等。
无线数据传输具体有以下几个特点：
第一，大规模网路。为了获取准确无误的信息，我们会在监控区分布相当数量的传感器节点，如果采集数据的需要，甚至能达到几百个、几千个、几万个，这样就能在不同空间角度获得信息，提高了信息可靠性的同时又降低了每个节点的精度要求。
第二，无线传感网络工作状态所耗能量低。处在无线网络中的每个传感器节点的体积都很小，所以它们可以利用的能源非常有限，并且如果外界因素稍一改变，节点都会受到很大的影响，同时网络中的每个节点都只有在保持稳定供电的情况下才能有效工作，所以一旦供电不足，节点的工作能力就会大打折扣，甚至直接退出工作状态，网络的工作状态本来就是由各个节点组成的，节点不能工作了，整个建立好的网络也就随之瘫痪了。加上电源的成本比较高，更换起来也不是很方便，所以减小每个网络节点的功耗，就能延长整个网络的使用寿命。
第三，具有自组织性。在无线传感器网络中，
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景 1
1.2 课题研究的国内外现状及发展趋势 1
1.3无线数据传输的特点 2
1.4课题研究的目的及主要内容 3
2 系统的总体设计 4
2.1方案比较 4
2.2设计要求 6
2.3 基于CC2530的无线数据传输模块的功能分析 7
2.4 基于Zigbee的煤矿井下安全监控系统的总体设计方案 7
3 煤矿井下安全监控系统的软件设计 9
3.1系统软件总体设计 10
3.2 终端节点程序设计 10
3.3 协调器节点程序设计 22
3.4软件调试 33
结 论 35
致 谢 36
参考文献 37
附录A部分程序代码 39
附录B部分传感器原理图 54
1 绪论
1.1 课题的研究背景
我国矿产资源非常丰富，尤以煤炭资源为首，但其一般地处山区，开采条件严峻，自然灾害频发，47%的矿井属于高浓度瓦斯井。为了保障煤炭资源的安全开采，除了进一步提高煤矿开采过程中相关工作人员的安全意识外，更需要根据现实情况建立一套符合现代化生产的煤矿井下安全监控系统，形成井上、井下安全可靠的报警体制和管理决策信息通道。所以目前矿井的生产不仅要解决煤矿生产中的安全问题、自动化问题，还要了解各种生产经营信息。国务院发布《关于进一步加强企业安全生产工作的通知》，从而更进一步提高各个煤矿企业安全生产的水平[1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
于高浓度瓦斯井。为了保障煤炭资源的安全开采，除了进一步提高煤矿开采过程中相关工作人员的安全意识外，更需要根据现实情况建立一套符合现代化生产的煤矿井下安全监控系统，形成井上、井下安全可靠的报警体制和管理决策信息通道。所以目前矿井的生产不仅要解决煤矿生产中的安全问题、自动化问题，还要了解各种生产经营信息。国务院发布《关于进一步加强企业安全生产工作的通知》，从而更进一步提高各个煤矿企业安全生产的水平[1]。煤矿山以及非煤矿山都应该制定并贯彻落实生产技术装备的标准，必须要安装监控系统、井下工作人员定位系统、紧急避险控制系统、供水施救系统和通信联通系统等，并且必须在规定的时间完成安装。
1.2 课题研究的国内外现状及发展趋势
1.2.1我国矿井安全监控系统的现状
随着科学技术的不断发展，我国一些科研研究所的专家结合我国煤矿的实际情况，加上对国外一些先进技术的参考，自主研究开发出了一系列的监控系统，如KJ92、KJ95[2] 等，但是我们都知道任何系统在研究的初期，都存在很多不足，需要我们在使用过程中不断发现问题，才能有效的解决问题。我国矿井安全监控系统研究初期，存在了通用性差，智能化低等缺点。
以下为现存系统存在问题的具体分析：
(1)现存的系统一般都只有单一的功能，大多数是根据特定对象而设计的（如环境安全，改善交通运输等），并且我国的设备和配件间因为没有统一的标准，彼此间不能通用，因此对系统的升级和扩展造成了巨大的障碍。
(2)我国煤矿井下安全监控系统主要使用RS485串行通信总线传输，RS485通讯的最突出问题就是通信过程很容易受到其他因素的干扰，并且控制系统采用主从结构的控制方式，这种控制方式存在的突出问题是不能同时建立多个冗余的主站，从而不能利用现有的控制总线实现各子站间的相互控制。另外，这种系统很难兼容，而且它的可靠性也很低，并不能对煤矿生产的过程实时监控并有效反映。
(3)现有的煤矿井下安全监控系统主要停留在对参数的采集、存储、监控等的基础功能上，当采集到的数据超出限定范围时就会报警，提醒相关工作人员。但是这种系统只是对采集到的数据进行简单的利用，并不能对整个煤矿安全系统实现安全监管的功能。
(4)虽然现有的煤矿井下安全监控系统能够接收到报警信号，并通知相关人员做出应急处理，对系统进行故障诊断，但常常由于系统不能及时维护，导致煤矿生产不能顺利进行。因此，我们需要建立远程智能故障诊断系统和远程智能维护系统。
(5)现有的系统无法对矿山的事故进行预测和报警，无法避免事故的发生。
1.2.2我国矿井安全系统发展趋势
随着通信技术的不断发展，矿井安全监控系统已经从有线系统发展到了无线系统，并不断向自动化、网络化、集成化的方向发展。起初，矿井安全监控系统中的数据传输方式非常单一，一般采用空分制信号传输方式。这种传输方式不对采集到的数据信号进行调整分析，只是简单的原样传输。当我们发现系统中的不足就对系统进行了改进。第二阶段，煤矿井下安全监控系统常常采用频率区分信道的频分制信号传输方式,很大程度减少了信号传输电缆的芯数，节约了成本[3]。第三阶段，煤矿井下安全监控系统一般采用分时区分信道的时分制信号传输方式。这一阶段与前两个阶段相比有了明显的进步和优势，这一时期的系统已经比较成熟，通信方式也有了质的飞跃，突出的是，这一阶段的系统对通信规程比较严格，抗干扰能力也在不断增强，另外，它们具有结构简单、配置灵活的特点。第四阶段，煤矿井下安全监控系统的传输方式虽然仍然属于时分制范畴，但是在处理技术上做出了改进，通常采用分布式微处理器技术，该阶段的系统已经非常成熟了，它们的突出特点是具有很强的开发性、高度的集成性和实时网络化等。
1.2.3国外矿井安全监控系统的现状及发展趋势
国外煤矿井下安全监控系统自20世纪末以来，随着大量的电子技术、计算机技术的迅猛发展，很多采煤国家利用无线传感技术，实现了机电一体化，将数据、图像、影音融于一体，实现了综合采矿的功能，实现了保持通风、及时排水、持续供电以及按时运输的自动化控制，实现了井下瓦斯浓度、温度、风速、水仓水位等井下环境参数的自动化监测和控制。
1.3无线数据传输的特点
无线传感网络与传统网络相比有很多优点。其综合了传感器技术、无线通信网络技术、嵌入式技术、微机电技术以及分布式信息处理技术等。
无线数据传输具体有以下几个特点：
第一，大规模网路。为了获取准确无误的信息，我们会在监控区分布相当数量的传感器节点，如果采集数据的需要，甚至能达到几百个、几千个、几万个，这样就能在不同空间角度获得信息，提高了信息可靠性的同时又降低了每个节点的精度要求。
第二，无线传感网络工作状态所耗能量低。处在无线网络中的每个传感器节点的体积都很小，所以它们可以利用的能源非常有限，并且如果外界因素稍一改变，节点都会受到很大的影响，同时网络中的每个节点都只有在保持稳定供电的情况下才能有效工作，所以一旦供电不足，节点的工作能力就会大打折扣，甚至直接退出工作状态，网络的工作状态本来就是由各个节点组成的，节点不能工作了，整个建立好的网络也就随之瘫痪了。加上电源的成本比较高，更换起来也不是很方便，所以减小每个网络节点的功耗，就能延长整个网络的使用寿命。
第三，具有自组织性。在无线传感器网络中，
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