摘 要： 针对我国煤矿井下有线网络布局扩展性差、覆盖范围不全以及对环境参数实时监测能力不够导致预警时效性差等问题，提出了一种基于CTI技术和ZigBee无线传感器网络的智能电话报警系统。该系统不仅能实现CTI集团电话的电话录音、智能调度及交互式会议等基本功能，还可利用无线传感器节点监测煤矿内瓦斯、一氧化碳浓度和环境温度等数据，并在相关参数超标时利用该系统自动拨打报警电话并播放预先录制的报警语音。通过系统的模拟运行可实现预先设计的相关功能，系统运行稳定，具有良好的应用前景。
关键词： CTI；集团电话；ZigBee；无线传感器网络；智能报警
0 引言
CTI[1-3]技术被广泛应用在煤矿、电力、铁路等多个部门，具有良好的应用前景。我国煤矿事故主要是由瓦斯及一氧化碳浓度超标引发的[4]。我国煤矿大多采用有线网络布局，有线网络具有灵活性差、监测范围不全等不足。在报警方面，大多采用扩音喇叭播放报警提示音或短信猫发送预警信息的方法，存在弊端。因此本文将CTI技术、ZigBee[5-6]技术、无线传感器网络进行融合，设计了一套可自动报警的集团电话系统。该系统不仅能实现煤矿生产需要的录音、调度、电话会议等功能，还可在无线传感器网络监测到相关数据超标时自动拨打报警电话，不仅方便用户的使用，而且极大地提高了预警能力。
1 系统架构
本系统集成了CTI、ZigBee、传感器网络[7]和串口通信[8]等技术，整体架构分底层、操作系统及传输层、应用层三层，如图1所示。
2 系统设计
2.1 集团电话设计
集团电话接入技术一般使用交换机或者语音卡两种方案[9-11]，本文选用杭州三汇SHT-8B/PCI语音卡方案。
2.2 煤矿监测设计
本文利用ZigBee网络以及无线传感器节点的方案解决问题。整体煤矿监测布局如图2所示。整体布局分为地面部分以及煤矿井下部分，地面部分搭建了整个电话系统的硬件及网络结构，煤矿井下则为ZigBee传感器节点的布局情况。
2.3 传感器节点设计
传感器节点一般由处理器、无线传输、传感器和电源模块4部分组成[12]，如图3所示。
利用Cortex-M0处理器芯片、CC2530无线收发芯片以及瓦斯、一氧化碳浓度、温度3种传感器探头组成传感器节点。
2.4 自动报警功能设计
利用集团电话、ZigBee网络及传感器节点实现煤矿参数在线实时监测并在相关参数超标时自动报警。煤矿报警流程图如图4所示。
系统将采集到的数据进行处理、分析。当数据超过报警门限值时，系统会自动拨打预先设定好的号码，播放预先录制的告警语音，提示相关工作人员第一时间对险情进行处理。
本文将传送的数据封装成数据帧，具体数据信息如下：
传感器节点ID 瓦斯浓度 一氧化碳浓度 温度 … N路数据 CRC-16校验
（1）帧头部分：数据帧中定义一个唯一的传感器节点ID，用以标识传感器节点本身。
（2）数据部分：主要为瓦斯、一氧化碳浓度/温度，后面为预留数据，方便扩充。
（3）帧尾：帧尾用来进行差错控制，差错控制手段主要采用CRC-16校验。
3 部署与试验
在实验室搭建了平台，利用温度、湿度、光照强度3种传感器进行模拟实验。实验中，在不同楼层、不同实验室布置多个ZigBee无线传感器节点及内线电话。
以某实验室布置的传感器节点数据为例。对于温度传感器，分别在室温、空调制冷、空调加热3种情况下进行测试，监测数据如表1所示；对于湿度传感器，分别在实验室正常情况、用加湿器对湿度传感器加湿两种情况下进行测试，监测数据如表2所示；对于光照传感器，分别在有阳光室外、无阳光室外、有阳光室内、无阳光室内4种情况下进行测试，监测数据如表3所示。将无线监测节点数据采样间隔时间设置为30 s，即使在最大传输距离200 m的情况下，丢包率仍小于1%。
实验结果表明，当监测到的温、湿度及光照强度值超过预先设定门限值时，系统成功拨打相应数据超标报警电话。
经试验证明，系统运行稳定，能够实现电话录音、电话调度、交互式电话会议模块中设计的所有功能；上位机服务器能够准确测量到实验室环境中的温、湿度以及光照强度并在数据超标时自动拨打报警电话，成功模拟了煤矿环境下的报警功能，初步实现了系统设计的所有功能。
4 结论
本文针对小型煤矿设计了一套完整的集团电话系统，该系统不仅具有煤矿生产所需要的电话录音、电话调度、电话会议功能，还利用ZigBee网络及传感器节点提升了煤矿井下监测数据的便利性与易用性。在报警方面，提出了更有安全性的报警机制——利用集团电话实现自动报警，大大提高了报警有效性。由于试验环境有限，未能将瓦斯浓度传感器以及一氧化碳浓度传感器在实际煤矿井下进行真正部署试验，下一步将到实际环境中对整个系统进行部署试验。
参考文献
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