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大量采集節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在井下各監(jiān)測(cè)區(qū)域，以自組織方式構(gòu)成簇狀網(wǎng)絡(luò)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障也不影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的安全性。為保證系統(tǒng)的擴(kuò)展性和易操作性，整個(gè)井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)需要選擇不同的傳感器模塊與采集母板連接。井上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、監(jiān)視和處理來自遠(yuǎn)程終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的各種環(huán)境信息，并且能夠隨時(shí)設(shè)定基本閾值、超限報(bào)警閾值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下開采環(huán)境的有效監(jiān)控和管理。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

系統(tǒng)層次型網(wǎng)絡(luò):采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成第一層無線網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成第二層無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)構(gòu)成第三層網(wǎng)絡(luò)。將每一個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)劃分為1個(gè)簇，作為網(wǎng)絡(luò)的基本單元，采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集該區(qū)域內(nèi)的各個(gè)環(huán)境變量;區(qū)域出口放置匯聚節(jié)點(diǎn)，其主要負(fù)責(zé)簇網(wǎng)絡(luò)的管理、采集節(jié)點(diǎn)采集信息的匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)。在升井口放置協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))，通過網(wǎng)線將其和井外上位機(jī)相連，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)控制命令，匯聚各個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信息，同時(shí)，S3C44B0X對(duì)信息處理后通過網(wǎng)口將信息傳輸給井外的上位機(jī)。

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)由低功耗無線單片機(jī)MC13213、信息采集模塊、無線網(wǎng)關(guān)、電源管理模塊等部分組成，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)集成度高、功耗低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高，發(fā)射功率為4dBm，通信距離為30～100m［5］。

2．1采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)無線單片機(jī)采用飛思卡爾公司推出的MC13213，其內(nèi)部集成了HCS08MCU和符合ZigBee技術(shù)的2．4GHz無線收發(fā)器，采用SIP系統(tǒng)單封裝，內(nèi)含60kBFLASH及4kBRAM，并自帶嵌入式閃存，工作電壓為2．0～3．4V，集成8位外部中斷、8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低壓檢測(cè)LVD和看門狗定時(shí)器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度(－94dBm)和強(qiáng)大的抗干擾性能。另外，集成收發(fā)/接收(Tx/Rx)開關(guān)，外圍電路簡單，可編程引腳豐富，并包含CAN、UART、I2C等常用接口［5］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中存在的最大問題就是能量問題，一旦節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，節(jié)點(diǎn)就將退出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。要保證在煤礦井下惡劣環(huán)境下傳感器能夠正常工作，在傳感器的選型上，綜合考慮了成本、精度和穩(wěn)定性等因素，采用一氧化碳傳感器NAP－505、瓦斯傳感器KGS－20、氧氣傳感器O2－A2和溫濕度傳感器SHT10。

2．2電源管理模塊

電源管理模塊為其他模塊提供能量，是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件。系統(tǒng)中采用了3種節(jié)點(diǎn)，為了滿足其不同供電需求，設(shè)計(jì)了2種供電方式:外部直流供電方式和內(nèi)部電池直流供電方式。由于傳感器采集節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的，可以隨機(jī)放在井下的任何位置采集環(huán)境信息，因此可采用電池供電;由于匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是固定在巷道內(nèi)不需要移動(dòng)，正常情況下用外部直流電源供電，當(dāng)發(fā)生意外情況導(dǎo)致外部直流電源不能夠供電時(shí)，電源管理模塊會(huì)自動(dòng)切換到電池供電方式，以保證節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

2．3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處理器模塊采用Samsung公司生產(chǎn)的S3C44B0XARM微處理器，其片內(nèi)集成了ARM7TDMI核，芯片內(nèi)部集成了LCD控制器、SDRAM控制器、2個(gè)串行接口控制器、PWM控制器、I2C控制器、IIS控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換等豐富的外圍控制模塊，提供Thumb16位壓縮指令集和JTAG軟件調(diào)試方式，有4種電源管理模式，支持省電模式，完全能滿足系統(tǒng)要求［6－7］。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3．1通信傳輸協(xié)議

在無線傳輸過程中，由于受傳輸距離、噪聲、現(xiàn)場(chǎng)狀況等因素的影響，采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間、各匯聚節(jié)點(diǎn)之間、匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間通信常常會(huì)發(fā)生無法預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤，影響數(shù)據(jù)的傳遞。要保證系統(tǒng)能夠可靠地通信，通信傳輸協(xié)議的制訂變得尤為重要。為了減少能量的損耗，提取有效數(shù)據(jù)，通過測(cè)試和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，0XAA后跟0X55在噪聲中不易發(fā)生能量損耗，所以協(xié)議規(guī)定只接收以0XAA+0X55開頭的數(shù)據(jù)包［8］。采集節(jié)點(diǎn)到監(jiān)控中心的幀有2種:數(shù)據(jù)幀和狀態(tài)幀。監(jiān)控中心到采集節(jié)點(diǎn)的幀有2種:查詢與控制工作狀態(tài)命令幀和應(yīng)答確認(rèn)幀。

3．2節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

3．2．1節(jié)點(diǎn)工作方式為了保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，一方面需要網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤礦井下環(huán)境進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)，按照設(shè)定的周期將采集到的信息送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，系統(tǒng)必須考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能問題，由于無線通信能耗是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要部分，因此著重考慮無線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理。另一方面，在有緊急事件發(fā)生(如CH4濃度超限、溫度超限或者CO濃度超限)的情況下，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要通過采集節(jié)點(diǎn)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)得到緊急信息，及時(shí)將井下環(huán)境信息發(fā)送到上位機(jī)。基于上述原因，設(shè)計(jì)了煤礦井下環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的2種工作方式:定期巡檢工作方式和喚醒工作方式，分別實(shí)現(xiàn)井下各個(gè)監(jiān)測(cè)信息的周期性監(jiān)測(cè)和緊急事件監(jiān)測(cè)。在定期巡檢工作方式下，網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)完成部署并形成網(wǎng)絡(luò)之后，先由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播1個(gè)睡眠命令，通過各匯聚節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)至各采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)收到之后轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài);經(jīng)過1個(gè)睡眠周期后各端節(jié)點(diǎn)醒來，等待匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集命令;當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)收集命令后，不同的傳感器采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的環(huán)境信息傳送至匯聚節(jié)點(diǎn);匯聚節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這樣便完成了1個(gè)工作周期。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)處理完畢后會(huì)再次廣播睡眠命令，以控制各簇節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)［7］。在喚醒工作方式下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)一直處于偵聽狀態(tài)，而采集節(jié)點(diǎn)絕大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，但傳感器將不間斷地監(jiān)測(cè)環(huán)境信息。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到某一數(shù)據(jù)超限時(shí)，例如CH4濃度超過設(shè)定的閾值，傳感器就以中斷的方式喚醒采集節(jié)點(diǎn)，然后采集節(jié)點(diǎn)立即將采集的數(shù)據(jù)傳向匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再經(jīng)過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄媳O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，供相關(guān)工作人員進(jìn)一步處理［7］。

3．2．2數(shù)據(jù)傳輸過程根據(jù)所定義的傳輸協(xié)議，首先，采集節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息，包括空氣的溫濕度及CO、O2和CH4濃度，按照自定義的數(shù)據(jù)格式形成信息數(shù)據(jù)包。采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送該數(shù)據(jù)包，匯聚節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后，修改其中的下一目的節(jié)點(diǎn)的ID，之后再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，直至到達(dá)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成環(huán)境數(shù)據(jù)信息的無線傳輸和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的匯聚。

4井上監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

4．1井上監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)井上監(jiān)控中心以MicrosoftVisualStudio2008作為開發(fā)平臺(tái)，采用C#語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，使用MicrosoftSQLServer2005數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，系統(tǒng)要同時(shí)完成接收數(shù)據(jù)、

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等多項(xiàng)任務(wù)，通過調(diào)用System．Threading命名空間里的Thread類來實(shí)現(xiàn)多線程。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示是通過第三方Chart控件實(shí)現(xiàn)的。井上監(jiān)控中心根據(jù)功能劃分，主要包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、預(yù)警四大功能模塊。1)數(shù)據(jù)接收模塊。井上監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)線和井下的網(wǎng)關(guān)相連接，計(jì)算機(jī)只需要實(shí)時(shí)監(jiān)聽本地IP地址的固定端口，基于socket編程技術(shù)，根據(jù)自定義的數(shù)據(jù)包格式，接收并提取采集的井下環(huán)境信息。2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。當(dāng)計(jì)算機(jī)監(jiān)聽并接收到數(shù)據(jù)后，在對(duì)數(shù)據(jù)處理之前，需要先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，把數(shù)據(jù)按采集時(shí)間和種類進(jìn)行分類，分別存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。3)數(shù)據(jù)顯示模塊。為了更直觀地觀測(cè)到井下環(huán)境數(shù)據(jù)的變化情況，從數(shù)據(jù)庫中讀取對(duì)應(yīng)的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，通過第三方Chart控件，將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示在系統(tǒng)主頁面上。4)預(yù)警功能模塊。井下的工作環(huán)境很重要，對(duì)超出閾值的節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)號(hào)顯示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)超出閾值的節(jié)點(diǎn)列表中，以便井上工作人員及時(shí)通知井下人員撤離不安全區(qū)域。

4．2監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

在模擬礦井中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)和母板相連，在試驗(yàn)中使用了一氧化碳傳感器節(jié)點(diǎn)、瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)、溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、氧氣濃度傳感器節(jié)點(diǎn)。同時(shí)這些節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)對(duì)井下監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集，并傳輸?shù)骄獾谋O(jiān)測(cè)中心。由井上監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理及實(shí)時(shí)顯示。試驗(yàn)過程中，使用傳感器節(jié)點(diǎn)30個(gè)，匯聚節(jié)點(diǎn)5個(gè)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)1個(gè)。各種環(huán)境參數(shù)的閾值是通過井上監(jiān)控中心系統(tǒng)來設(shè)置的，當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果超過設(shè)定的相應(yīng)最佳參數(shù)閾值時(shí)，則將所采集的參數(shù)類型和節(jié)點(diǎn)的編號(hào)顯示在閾值節(jié)點(diǎn)列表中。由于數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫中，調(diào)用時(shí)比較麻煩，為此設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)可以選擇需要的參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表中，供煤礦專家進(jìn)行研究。為安全起見，在測(cè)試系統(tǒng)的性能過程中，只選取了溫濕度傳感器，在試驗(yàn)過程中人為地對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行了加熱，試驗(yàn)結(jié)果表明:溫度變化能夠及時(shí)地在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中反映出來，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4、CO、O2濃度以及空氣溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5結(jié)語

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤炭開采環(huán)境監(jiān)測(cè)中，具有傳統(tǒng)的井下環(huán)境監(jiān)測(cè)無法比擬的優(yōu)勢(shì)?；?a href="http://m.bjhyfc.net/lunwen/mklw/mkaqlw/201307/753509.html" target="_blank">wsn的煤礦安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是以ARM控制器為核心，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet技術(shù)為支撐的集監(jiān)測(cè)、顯示、通信和預(yù)警等多功能于一體的煤礦環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分發(fā)揮了兩種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，為煤礦井下開采環(huán)境的監(jiān)測(cè)提供了一種有效的解決方案，可提高煤礦井下生產(chǎn)的安全性。

作者：劉銘楊智勇常超單位：重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院