摘 要： 針對我國煤礦井下有線網絡布局擴展性差、覆蓋范圍不全以及對環境參數實時監測能力不夠導致預警時效性差等問題，提出了一種基于CTI技術和ZigBee無線傳感器網絡的智能電話報警系統。該系統不僅能實現CTI集團電話的電話錄音、智能調度及交互式會議等基本功能，還可利用無線傳感器節點監測煤礦內瓦斯、一氧化碳濃度和環境溫度等數據，并在相關參數超標時利用該系統自動撥打報警電話并播放預先錄制的報警語音。通過系統的模擬運行可實現預先設計的相關功能，系統運行穩定，具有良好的應用前景。
關鍵詞： CTI；集團電話；ZigBee；無線傳感器網絡；智能報警
0 引言
CTI[1-3]技術被廣泛應用在煤礦、電力、鐵路等多個部門，具有良好的應用前景。我國煤礦事故主要是由瓦斯及一氧化碳濃度超標引發的[4]。我國煤礦大多采用有線網絡布局，有線網絡具有靈活性差、監測范圍不全等不足。在報警方面，大多采用擴音喇叭播放報警提示音或短信貓發送預警信息的方法，存在弊端。因此本文將CTI技術、ZigBee[5-6]技術、無線傳感器網絡進行融合，設計了一套可自動報警的集團電話系統。該系統不僅能實現煤礦生產需要的錄音、調度、電話會議等功能，還可在無線傳感器網絡監測到相關數據超標時自動撥打報警電話，不僅方便用戶的使用，而且極大地提高了預警能力。
1 系統架構
本系統集成了CTI、ZigBee、傳感器網絡[7]和串口通信[8]等技術，整體架構分底層、操作系統及傳輸層、應用層三層，如圖1所示。
2 系統設計
2.1 集團電話設計
集團電話接入技術一般使用交換機或者語音卡兩種方案[9-11]，本文選用杭州三匯SHT-8B/PCI語音卡方案。
2.2 煤礦監測設計
本文利用ZigBee網絡以及無線傳感器節點的方案解決問題。整體煤礦監測布局如圖2所示。整體布局分為地面部分以及煤礦井下部分，地面部分搭建了整個電話系統的硬件及網絡結構，煤礦井下則為ZigBee傳感器節點的布局情況。
2.3 傳感器節點設計
傳感器節點一般由處理器、無線傳輸、傳感器和電源模塊4部分組成[12]，如圖3所示。
利用Cortex-M0處理器芯片、CC2530無線收發芯片以及瓦斯、一氧化碳濃度、溫度3種傳感器探頭組成傳感器節點。
2.4 自動報警功能設計
利用集團電話、ZigBee網絡及傳感器節點實現煤礦參數在線實時監測并在相關參數超標時自動報警。煤礦報警流程圖如圖4所示。
系統將采集到的數據進行處理、分析。當數據超過報警門限值時，系統會自動撥打預先設定好的號碼，播放預先錄制的告警語音，提示相關工作人員第一時間對險情進行處理。
本文將傳送的數據封裝成數據幀，具體數據信息如下：
傳感器節點ID 瓦斯濃度 一氧化碳濃度 溫度 … N路數據 CRC-16校驗
（1）幀頭部分：數據幀中定義一個唯一的傳感器節點ID，用以標識傳感器節點本身。
（2）數據部分：主要為瓦斯、一氧化碳濃度/溫度，后面為預留數據，方便擴充。
（3）幀尾：幀尾用來進行差錯控制，差錯控制手段主要采用CRC-16校驗。
3 部署與試驗
在實驗室搭建了平臺，利用溫度、濕度、光照強度3種傳感器進行模擬實驗。實驗中，在不同樓層、不同實驗室布置多個ZigBee無線傳感器節點及內線電話。
以某實驗室布置的傳感器節點數據為例。對于溫度傳感器，分別在室溫、空調制冷、空調加熱3種情況下進行測試，監測數據如表1所示；對于濕度傳感器，分別在實驗室正常情況、用加濕器對濕度傳感器加濕兩種情況下進行測試，監測數據如表2所示；對于光照傳感器，分別在有陽光室外、無陽光室外、有陽光室內、無陽光室內4種情況下進行測試，監測數據如表3所示。將無線監測節點數據采樣間隔時間設置為30 s，即使在最大傳輸距離200 m的情況下，丟包率仍小于1%。
實驗結果表明，當監測到的溫、濕度及光照強度值超過預先設定門限值時，系統成功撥打相應數據超標報警電話。
經試驗證明，系統運行穩定，能夠實現電話錄音、電話調度、交互式電話會議模塊中設計的所有功能；上位機服務器能夠準確測量到實驗室環境中的溫、濕度以及光照強度并在數據超標時自動撥打報警電話，成功模擬了煤礦環境下的報警功能，初步實現了系統設計的所有功能。
4 結論
本文針對小型煤礦設計了一套完整的集團電話系統，該系統不僅具有煤礦生產所需要的電話錄音、電話調度、電話會議功能，還利用ZigBee網絡及傳感器節點提升了煤礦井下監測數據的便利性與易用性。在報警方面，提出了更有安全性的報警機制——利用集團電話實現自動報警，大大提高了報警有效性。由于試驗環境有限，未能將瓦斯濃度傳感器以及一氧化碳濃度傳感器在實際煤礦井下進行真正部署試驗，下一步將到實際環境中對整個系統進行部署試驗。
參考文獻
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