新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)井下安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

趙　凱　喬會(huì)珍

摘要：基于Zigbee的無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了對(duì)井下監(jiān)控系統(tǒng)在新型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下應(yīng)用的思考。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器；ZigBee監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TU714

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198(2009)08-0281-01

隨著煤炭生產(chǎn)過(guò)程中礦井環(huán)境的不斷變化，井下巷道將變得越發(fā)狹窄，通信線路的延伸和維護(hù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)就變得復(fù)雜。在通信技術(shù)高速發(fā)展的今天，組建井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。本文提出采用基于ZigBee技術(shù)的新型井下無(wú)線安全監(jiān)控系統(tǒng)，就是在此背景下進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的。

ZigBee(紫蜂)是一種采用成熟無(wú)線通訊技術(shù)的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)具備以下主要特點(diǎn)：(1)低功耗和低成本，在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年；(2)網(wǎng)絡(luò)容量大，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備；(3)時(shí)延短，通常時(shí)延都在15～30ms之間；(4)協(xié)議簡(jiǎn)單，安全性高?；谶@些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，ZigBee非常適用于煤礦井下巷道多曲折、多風(fēng)門等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電源供電限制嚴(yán)格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點(diǎn)。

1新型井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

井下無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以下四部分：(1)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集瓦斯?jié)舛?、濕度和溫度，并將所采集到的?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁浇闹欣^節(jié)點(diǎn)；(2)中繼節(jié)點(diǎn)可固定在巷道內(nèi)，負(fù)責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給信息接收終端和將命令傳給傳感器節(jié)點(diǎn)。(3)基站接收終端節(jié)點(diǎn)：安裝在主巷道內(nèi)，接收固定式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)通信電纜將數(shù)據(jù)傳輸給信息收集數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。(4)監(jiān)控中心使用監(jiān)控軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，發(fā)現(xiàn)異常情況即使發(fā)出警報(bào)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備的組成主要包括供電模塊、傳感器模塊、處理器模塊和ZigBee通信模塊。其中供電模塊由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的功耗較小，使用2節(jié)5號(hào)電池即可提供充足電量。傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)進(jìn)行采集。其中瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)是監(jiān)控系統(tǒng)的核心工作，瓦斯傳感器采用北京東方吉華科技有限公司生產(chǎn)的KGS—zO低功耗瓦斯傳感器。KGS一2以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且低功耗。KGS－20型可燃?xì)鈧鞲衅鬟m用于對(duì)瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè)，用于瓦斯報(bào)警器，可燃?xì)鈭?bào)警器，瓦斯檢測(cè)儀等。處理器模塊選用TI公司MSP430F149處理器。該處理器是TI公司低成本、高性能的一款MCU。能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；其控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)；帶FLASH存儲(chǔ)器的單片機(jī)還可以方便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。MSP430F149也是MSP430X1XX系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī)，而且MSP430F149的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為－40℃～+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，完全能夠勝任各個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等任務(wù)。ZigBee通信模塊選用符合ZigBee技術(shù)的214GHz的射頻芯片CC2430，延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)9位MCU處理器，具有128kB編程閃存和8kB的RAM存儲(chǔ)器，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及21個(gè)可編程I／O引腳，具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性的開(kāi)發(fā)工具。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250Kb／s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)使用微軟公司的Visual Studio，NET 2005作為開(kāi)發(fā)工具，主要完成以下功能：顯示監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警提示；實(shí)時(shí)曲線顯示；歷史數(shù)據(jù)查詢，包括遠(yuǎn)程訪問(wèn)；對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制，如設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔。

4總結(jié)

本文提出了采用Zigbee技術(shù)建立煤礦監(jiān)控通信系統(tǒng)的新方法，并對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。但井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)還會(huì)受到很多因素的影響，尤其是噪聲干擾和電波衰落等，影響了礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，這在今后的研究中要加以改進(jìn)。