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摘 要：目前国内煤矿井下电力设备电流检测装置大多采用有线监控网络，存在着线路不易扩展维护困难等问题，采用ZigBee技术可以安全有效的对煤矿井下监测区域电流进行监测，主要优点是极低的系统成本、安全的数据传输、灵活的组网和超大的网络容量。
关键词：ZigBee技术；电流检测；传感器子节点；路由子节点；协调器节点
0 引言
目前国内煤矿井下电力设备电流监测装置大多采用有线监控网络，由于井下恶劣的工作环境会导致有线监测系统安装维护困难，随着巷道的掘进，线路不容易扩展。
ZigBee技術主要用来组建低速率的无线个域网，网络中的成员称为节点设备，通过设置大量的传感器节点，可以实现对监测区域各种信息的采集。主要优点是极低的系统成本、安全的数据传输、灵活的组网和超大的网络容量。
1电流监测系统
1.1 ZigBee技术
蜜蜂在采蜜的过程中不断跳舞形成的“ZigZag”的形状，用来共享食物源的方向、距离和位置等信息。蜜蜂体型较小、消耗体能也少，传输信息的效率也较低，人们用 ZigBee 技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。正是基于以上优点，它才成为无线电流监控系统的首选。ZigBee 无线网络的拓扑结构主要有树型、星型和网状三种。
1.2系统工作原理
监控系统通过电流互感器把一次侧电流变换成二次侧电流，再将二次侧电流变换成数字信号，并通过无线发送模块发送给接受装置。接收装置实时监听无线发送过来的数据信号，当有数据信号发送过来时，就将这些数据进行缓存，再通过有线或者无线模块发送给上位机。上位机能够实时监听、接收、解析接收装置发送来的信息，将信息实时保存到数据库内对应的表中，并且可以实时以表格、图形等形式进行显示。还能对某个阶段、某个或某些采集装置发送的电流值进行检索、提取、转换、展示，当某些值超过预定阀值时，系统将及时给出预警信息。
1.3系统构架
1.传感器子节点2.路由器子节点3.协调器节点
煤矿采煤工作面地形复杂，需要采集的数据多，根据煤矿井下的环境特点，采用树簇拓扑结构组成ZigBee网络。整个网络包括协传感器子节点、路由器子节点、和协调器节点。煤矿井下巷道比较长，传感器子节点发射的功率一般比较小，借助路由节点可以实现帧的多跳传输。
协调器是整个网络的中心，负责把路由器节点以及采集节点加入协调器所建立的网络并给它们分配网络地址，能够与上位机通信，实时将数据上传到管理中心。路由器子节点具有报文转发的功能，它在协调器和传感器子节点之间建立一条通信转发的通道，便于信息的传递。传感器子节点负责对电流信号的采集，通过路由子节点完成数据信息的上报。系统结构如图1所示。
2节点硬件设计
2.1传感器子节点
（1）电流传感器选型
强电流信号无法被单片机进行采集和处理，必须先将一次电流经过电流互感器转换为小的二次电流，再经过电流变送器把二次小电流转换为能够接受和处理的电压信号，如图2所示。
根据实际检测需要，选用 JIC-C21-600P1O2交流电流变送器。JIC-C21-600P1O2是一种利用电磁感应原理将被测电流转换成与原边电流成比例输出的直流电压信号的测量模块，原副边之间高度绝缘。具有高精确度、高线性度、高集成度、体积小结构简单、长期工作稳定且适应各种工作环境的特点。额定输入电流600A，额定输出电压0-5V，电流变送器额定工作电压24V。
（2）CC2530 芯片
CC2530是IT公司推出的基于ZigBee/IEE802.15.4标准的新一代SoC芯片，它集成了一个高性能的RF收发器和一个优化的低耗8051微处理器，8kB的RAM，多达256kB的闪存，包括8路7-12位ADC，2个USART和21 个通用I/O接口。
CC2530是一款无线发射芯片，具有一定的控制功能可完成本设计所需全部功能无需外加控制芯片，因此CC2530选用实现无线信号的发送和接收。
（3）采集物理装置总体电路设计
CC2530 芯片上P0.0-P0.7 口为 ADC 通道，可将采集到的模拟信号转换成数字信号，而无需其他辅助电路。电流变送器输出UA、UB和UC分别接到P0.7、P0.6和P0.5接口。如图3所示。
2.2路由子节点
井下收到各种环境因素的影响，传感器子节点的可靠发射距离100m。为了传递传感器的信息，需要增加路由子节点，起到中转站的作用，把传感器子节点的数据转发到协调器节点，扩大数据传输的距离。路由子节点一般安装在较长巷道中间位置和巷道的转弯位置。
数量根据巷道实际长度而定。CC2530前端增加一个CC2591射频前端来提高发送功率和接收灵敏度。CC2530 与CC2591的接口电路如图4所示。
2.3协调器节点
协调器负责组网和通信，将采集到的信息上传到管理中心，是整个网络的中心。主要有和上位机通信的CAN总线接口、液晶显示、报警指示电路。作为整个网络的中心，必须保证其长时间不断电的运行，一般采用外接电源供电，系统结构如图5所示。
3软件流程设计
协调器节点上电后初始化硬件平台，然后执行操作系统，启动ZigBee网络，再进入侦听状态，把接收到的信息传到上位机。传感器子节点和路由子节点在程序上基本相同，只是工作模式不同。CC2530具有4种功耗模式，睡眠状态电流消耗只有0.9μA，为了进一步降低功耗，可以把传感器子节点设计成睡眠-工作-睡眠模式，不工作时处于睡眠状态。协调器和传感器子节点程序流程如图6所示。
设计开发环境选用AIR7.60，AIR7.60是在Z-STACK-2.4.0-1.4.0协议栈基础上编写的应用层软件。
4性能测试
系统在某矿综采工作面的机电设备进行测试，该工作面有采煤机、可弯曲的刮板输送机、转载机和可伸缩皮带输送机。实测值是指用专用仪器测得的数据，数据结果表明系统电流误差《0.1A，检测值与实测值之间的误差主要是传感器本身的误差，满足使用要求。
5.结束语
采用ZigBee技术实现井下电流的监测，克服了有线网络的许多缺点。传感器节点具有体积小、功耗小等优点，方便井下安装，采用树簇状的网络增加了网络的覆盖度，有很强的推广价值和应用前景。
参考文献
[1] 张东，李长录，徐洋等.基于Zigbee技术的煤矿安全监测系统设计[J].煤矿安全2010，41（7）：77 -80.
[2] 杨 娟.低浓度瓦斯管道输送安全监控系统研究[J].《自动化与仪器仪表》，2011，155（3）：28-31.
[3] 彭芳， 王佳庆，施长浩.基于Zigbee 的冷库监控系统设计与实现[J]. 中国农机化学报，2013，34（9）：248-250.
[4] 李学哲，胡兴志，封孝辉等.基于Zigbee的煤矿巷道压力监测系统设计[J].工矿自动化，2014，40（4）：19-22.
[5] 朱延凯，李振璧，姜媛媛等.基于Zigbee无线传感器网络的井下电网漏电保护系统[J].工矿自动化，2014，40（5）：15-17.
[6] 薄英强， 欧阳名三，李业亮等.基于Zigbee的矿井水文信息监测系统[J].工矿自动化，2014，40（10）：84-87.
关键词：ZigBee技术；电流检测；传感器子节点；路由子节点；协调器节点
0 引言
目前国内煤矿井下电力设备电流监测装置大多采用有线监控网络，由于井下恶劣的工作环境会导致有线监测系统安装维护困难，随着巷道的掘进，线路不容易扩展。
ZigBee技術主要用来组建低速率的无线个域网，网络中的成员称为节点设备，通过设置大量的传感器节点，可以实现对监测区域各种信息的采集。主要优点是极低的系统成本、安全的数据传输、灵活的组网和超大的网络容量。
1电流监测系统
1.1 ZigBee技术
蜜蜂在采蜜的过程中不断跳舞形成的“ZigZag”的形状，用来共享食物源的方向、距离和位置等信息。蜜蜂体型较小、消耗体能也少，传输信息的效率也较低，人们用 ZigBee 技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。正是基于以上优点，它才成为无线电流监控系统的首选。ZigBee 无线网络的拓扑结构主要有树型、星型和网状三种。
1.2系统工作原理
监控系统通过电流互感器把一次侧电流变换成二次侧电流，再将二次侧电流变换成数字信号，并通过无线发送模块发送给接受装置。接收装置实时监听无线发送过来的数据信号，当有数据信号发送过来时，就将这些数据进行缓存，再通过有线或者无线模块发送给上位机。上位机能够实时监听、接收、解析接收装置发送来的信息，将信息实时保存到数据库内对应的表中，并且可以实时以表格、图形等形式进行显示。还能对某个阶段、某个或某些采集装置发送的电流值进行检索、提取、转换、展示，当某些值超过预定阀值时，系统将及时给出预警信息。
1.3系统构架
1.传感器子节点2.路由器子节点3.协调器节点
煤矿采煤工作面地形复杂，需要采集的数据多，根据煤矿井下的环境特点，采用树簇拓扑结构组成ZigBee网络。整个网络包括协传感器子节点、路由器子节点、和协调器节点。煤矿井下巷道比较长，传感器子节点发射的功率一般比较小，借助路由节点可以实现帧的多跳传输。
协调器是整个网络的中心，负责把路由器节点以及采集节点加入协调器所建立的网络并给它们分配网络地址，能够与上位机通信，实时将数据上传到管理中心。路由器子节点具有报文转发的功能，它在协调器和传感器子节点之间建立一条通信转发的通道，便于信息的传递。传感器子节点负责对电流信号的采集，通过路由子节点完成数据信息的上报。系统结构如图1所示。
2节点硬件设计
2.1传感器子节点
（1）电流传感器选型
强电流信号无法被单片机进行采集和处理，必须先将一次电流经过电流互感器转换为小的二次电流，再经过电流变送器把二次小电流转换为能够接受和处理的电压信号，如图2所示。
根据实际检测需要，选用 JIC-C21-600P1O2交流电流变送器。JIC-C21-600P1O2是一种利用电磁感应原理将被测电流转换成与原边电流成比例输出的直流电压信号的测量模块，原副边之间高度绝缘。具有高精确度、高线性度、高集成度、体积小结构简单、长期工作稳定且适应各种工作环境的特点。额定输入电流600A，额定输出电压0-5V，电流变送器额定工作电压24V。
（2）CC2530 芯片
CC2530是IT公司推出的基于ZigBee/IEE802.15.4标准的新一代SoC芯片，它集成了一个高性能的RF收发器和一个优化的低耗8051微处理器，8kB的RAM，多达256kB的闪存，包括8路7-12位ADC，2个USART和21 个通用I/O接口。
CC2530是一款无线发射芯片，具有一定的控制功能可完成本设计所需全部功能无需外加控制芯片，因此CC2530选用实现无线信号的发送和接收。
（3）采集物理装置总体电路设计
CC2530 芯片上P0.0-P0.7 口为 ADC 通道，可将采集到的模拟信号转换成数字信号，而无需其他辅助电路。电流变送器输出UA、UB和UC分别接到P0.7、P0.6和P0.5接口。如图3所示。
2.2路由子节点
井下收到各种环境因素的影响，传感器子节点的可靠发射距离100m。为了传递传感器的信息，需要增加路由子节点，起到中转站的作用，把传感器子节点的数据转发到协调器节点，扩大数据传输的距离。路由子节点一般安装在较长巷道中间位置和巷道的转弯位置。
数量根据巷道实际长度而定。CC2530前端增加一个CC2591射频前端来提高发送功率和接收灵敏度。CC2530 与CC2591的接口电路如图4所示。
2.3协调器节点
协调器负责组网和通信，将采集到的信息上传到管理中心，是整个网络的中心。主要有和上位机通信的CAN总线接口、液晶显示、报警指示电路。作为整个网络的中心，必须保证其长时间不断电的运行，一般采用外接电源供电，系统结构如图5所示。
3软件流程设计
协调器节点上电后初始化硬件平台，然后执行操作系统，启动ZigBee网络，再进入侦听状态，把接收到的信息传到上位机。传感器子节点和路由子节点在程序上基本相同，只是工作模式不同。CC2530具有4种功耗模式，睡眠状态电流消耗只有0.9μA，为了进一步降低功耗，可以把传感器子节点设计成睡眠-工作-睡眠模式，不工作时处于睡眠状态。协调器和传感器子节点程序流程如图6所示。
设计开发环境选用AIR7.60，AIR7.60是在Z-STACK-2.4.0-1.4.0协议栈基础上编写的应用层软件。
4性能测试
系统在某矿综采工作面的机电设备进行测试，该工作面有采煤机、可弯曲的刮板输送机、转载机和可伸缩皮带输送机。实测值是指用专用仪器测得的数据，数据结果表明系统电流误差《0.1A，检测值与实测值之间的误差主要是传感器本身的误差，满足使用要求。
5.结束语
采用ZigBee技术实现井下电流的监测，克服了有线网络的许多缺点。传感器节点具有体积小、功耗小等优点，方便井下安装，采用树簇状的网络增加了网络的覆盖度，有很强的推广价值和应用前景。
参考文献
[1] 张东，李长录，徐洋等.基于Zigbee技术的煤矿安全监测系统设计[J].煤矿安全2010，41（7）：77 -80.
[2] 杨 娟.低浓度瓦斯管道输送安全监控系统研究[J].《自动化与仪器仪表》，2011，155（3）：28-31.
[3] 彭芳， 王佳庆，施长浩.基于Zigbee 的冷库监控系统设计与实现[J]. 中国农机化学报，2013，34（9）：248-250.
[4] 李学哲，胡兴志，封孝辉等.基于Zigbee的煤矿巷道压力监测系统设计[J].工矿自动化，2014，40（4）：19-22.
[5] 朱延凯，李振璧，姜媛媛等.基于Zigbee无线传感器网络的井下电网漏电保护系统[J].工矿自动化，2014，40（5）：15-17.
[6] 薄英强， 欧阳名三，李业亮等.基于Zigbee的矿井水文信息监测系统[J].工矿自动化，2014，40（10）：84-87.