基于無線傳感網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

李紀榕，李福進*，吳艷微，尉志武

(1.河北聯(lián)合大學電氣工程學院，河北 唐山 063009; 2.燕山大學，河北省測試計量技術及儀器重點實驗室，河北 秦皇島 066004; 3.太原理工大學測控技術研究所，太原 030001)

國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以有線方式實現(xiàn)參數(shù)檢測與信息傳輸任務［1］。然而，有線監(jiān)控系統(tǒng)存在以下不足:系統(tǒng)擴展不方便;重點區(qū)域存在大量監(jiān)控死角;一但有線網(wǎng)絡發(fā)生故障或遭到破壞，整個系統(tǒng)完全癱瘓，難以滿足安全監(jiān)控及時通信的需求。因此，煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)迫切需要一種結(jié)構靈活、擴展性強、布設快捷、安全可靠的通信網(wǎng)絡技術［2－3］。

隨著傳感技術、MEMS技術、無線通信技術、分布式信息處理等技術的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡技術為解決井下煤礦安全監(jiān)控問題提供了有效技術手段和途徑［4－7］。無線傳感網(wǎng)絡的快速展開、自組織、多跳路由、動態(tài)拓撲等特點使其成為井下無線通信網(wǎng)絡的理想選擇，尤其是多跳路由的信息傳輸方式可克服因巷道彎曲、傾斜等造成的無線信號嚴重損耗問題。因此將無線傳感網(wǎng)絡技術引入井下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義［8－9］。本文主要針對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)構架原理、網(wǎng)絡協(xié)議、抗干擾算法、硬件設計等方面進行了相關研究設計。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構原理

鑒于煤礦開采區(qū)域廣闊，從經(jīng)濟、適用角度出發(fā)，井上采用CAN總線網(wǎng)絡傳輸采集到的信息，井下采用無線傳感網(wǎng)絡技術獲取巷道安全環(huán)境參數(shù)及人員位置參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖1所示，在監(jiān)控系統(tǒng)正常運行情況下，井下形成多個以中繼器節(jié)點(中心管理節(jié)點)為中心的局部無線傳感網(wǎng)絡，這樣就存在唯一的中心控制點，并且是單跳通信，因此，可采用成熟的主從式無線網(wǎng)絡控制協(xié)議。同時，降低了對終端節(jié)點無線通信模塊的要求，起到了降低功耗的目的。某個終端節(jié)點無法工作時，不會影響整個安全監(jiān)控系統(tǒng)，重新布設也更加方便。若某個中繼器節(jié)點無法工作，立即啟動自組織協(xié)議，形成無線應急通信網(wǎng)絡，處理過程如圖2所示。由此可見，無線傳感網(wǎng)絡技術具有有線傳輸無法代替的優(yōu)勢及特點，無線傳感網(wǎng)絡通信技術能夠更好的適應于煤礦井下安全監(jiān)控。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)架構

圖2 故障發(fā)生時形成的應急通信網(wǎng)絡

2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信協(xié)議

近些年，Zigbee技術由于具有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點，被廣泛應用于無線網(wǎng)絡通信中［10－11］。該協(xié)議主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備，同時支持地理定位功能。Zigbee自組網(wǎng)通信協(xié)議是實現(xiàn)復用型、智能化煤礦井下安全監(jiān)控網(wǎng)絡的核心，主要涉及物理層(PHY)、數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)、網(wǎng)絡層(NWK)和應用層(APL)等。

(1)物理層

主要負責感知數(shù)據(jù)的信息采集。煤礦井下無線通信實質(zhì)上是借用巷道的縱向?qū)w作為波導，電波在巷道中傳播呈現(xiàn)導波特性。理論研究和實驗均表明，利用900MHZ～3000MHz這一頻段可以實現(xiàn)井下徑向無線通信。井下無線傳感網(wǎng)絡的物理層設計主要通過理論分析和現(xiàn)場測量的方法，根據(jù)井下復雜環(huán)境和地質(zhì)條件對無線傳感網(wǎng)絡信號傳輸?shù)挠绊?，建立井下無線信號傳播模型;選擇電磁干擾和煤巖壁吸收相對較小的無線頻段及信道編碼方式。本監(jiān)控網(wǎng)絡采用無線電波載波媒體，工作頻段為915MHz;采用FEC前向糾錯編碼技術降低節(jié)點之間通信時受到的電磁干擾，提高無線信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)數(shù)據(jù)鏈路層

負責媒體訪問控制和建立節(jié)點之間可靠的通信鏈路，采用基于預約的MAC協(xié)議與基于競爭的MAC協(xié)議相結(jié)合，兼顧適當?shù)牟铄e控制機制。

(3)網(wǎng)絡層

主要任務是發(fā)現(xiàn)和維護路由，為井下動態(tài)拓撲網(wǎng)絡提供可靠的路由選擇。

(4)應用層

主要負責把系統(tǒng)的應用映射到Zigbee網(wǎng)絡，包括應用支持層、設備對象和應用對象。

3 前向糾錯編碼(FEC)抗干擾算法

由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復雜，無線電信號在巷道內(nèi)傳播時，易受到煤礦井下高電磁干擾，為保證監(jiān)控系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性及可靠性。在網(wǎng)絡協(xié)議物理層設計中通過選擇電磁干擾和煤巖壁吸收相對較小的無線頻段僅能夠在一定程度上降低電磁干擾，因此對煤礦井下無線網(wǎng)絡抗干擾算法進行研究是非常必要的，對于提高無線通信模塊接收信號的正確率具有十分重要的意義。本文通過采用FEC前向糾錯編碼算法來提高網(wǎng)絡節(jié)點之間無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率。

3.1 FEC 概述

糾錯編碼也稱為差錯控制編碼。在實際信道上傳輸信號時，由于信道傳輸特性不理想以及加性噪聲的影響，接收端所收到的信號不可避免地會發(fā)生錯誤。但實際上，在許多系統(tǒng)中的比特誤碼率并不能滿足實際的需求。此時則必須采用信道編碼才能將比特誤碼率進一步降低，以滿足系統(tǒng)指標要求。

FEC系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送能糾正錯誤的編碼，在接收端根據(jù)接收到的碼和編碼規(guī)則，能自動糾正傳輸中的錯誤。其特點是糾錯碼信息不需要存儲、不需要反饋信道、實時性好。同時，F(xiàn)EC編碼可以通過軟件實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的成本與復雜性。在工業(yè)無線控制系統(tǒng)中，比較常用的差錯控制方式是FEC編碼方式，本文將該糾錯方式應用到無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中進行差錯控制，用來提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2 FEC編碼算法

FEC編碼技術是以信道模型為依據(jù)的，有了信道的模型，就能對不同碼長和糾錯能力的碼進行分析，進而進行FEC差錯控制系統(tǒng)的性能分析和糾錯碼地設計。

(1)GBSC信道模型

GBSC信道模型［12］錯組率如式(1)所示:

其中:

n:碼組長度

m:n長碼組內(nèi)出現(xiàn)的隨即錯誤

α:錯誤密度指數(shù)

pe:誤碼率

p(n，≥1)=n1－αpe

p(n，m)=p(n，≥m)－p(n，≥m+1)

由式(1)可以看到，應用GBSC模型只要知道兩個參數(shù):誤碼率pe和錯誤密度指數(shù)α，就可計算錯組率。誤碼率是無線信號傳輸中一個最主要的質(zhì)量指標。測試誤碼率可以由發(fā)射端發(fā)射測試數(shù)據(jù)，然后接收端接收下來，并對接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的測試數(shù)據(jù)進行分析比較得到。

(2)FEC算法

設FEC系統(tǒng)中使用能糾正t個隨機錯誤的(n，k，2t)線性分組碼，發(fā)送端等概率發(fā)送2k個碼字中的每一個，則碼字通過誤碼率為pe的有擾信道后，譯碼器輸出的碼字錯誤概率(誤碼率)是:

式中:0≤αm≤1稱為糾錯系數(shù)，它的取值與所采用的譯碼方式有關。對一般的線性分組碼，誤碼率上限為:

對于GBSC模型，將式(1)代入式(3)得:

如果(m/n)＜0.3，式(1)可進一步簡化為:

將式(5)代入式(3)得:

由式(5)和式(6)可得，GBSC的誤碼率與錯組率p(n，≥m)有直接的關系，并和碼長n與糾錯位數(shù)t的比值有關。

由表1可以看出，碼長n與t+1的比值越小，誤碼率越低;相同碼長，糾錯能力越強，誤碼率越低，糾錯能力是以犧牲編碼效率為代價的。隨著編碼的增加，糾錯能力也逐漸增加，同時組錯率也增加。因此，綜合考慮以上因素，本系統(tǒng)采用(255，223)形式的FEC編碼來糾正突發(fā)錯誤或隨機錯誤。該種糾錯編碼技術能夠極大地提高系統(tǒng)的可靠性。

表1 不同碼長及糾錯能力的錯組率

4 傳感器節(jié)點的硬件設計

傳感器節(jié)點無線接收模塊采用nRF401芯片，這是Nordic公司推出的一款真正的單片UHF無線收發(fā)芯片，采用藍牙技術設計［13］。nRF401采用間歇供電方式，能夠有效地降低功耗。傳感器節(jié)點CPU單元采用MSP430系列單片機，MSP430系列是為低功耗應用開發(fā)的，主要節(jié)能方法是采取多種工作模式，避免空閑模塊浪費能量，使系統(tǒng)僅在需要時才處于工作狀態(tài)。終端節(jié)點因其對計算處理能力要求低采用 MSP430F135單片機，中繼器節(jié)點采用MSP430149單片機。

4.1 終端節(jié)點硬件設計

終端節(jié)點的電路結(jié)構方框圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點的電路結(jié)構方框圖

節(jié)點電源開啟后，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器分別從井下周圍環(huán)境中采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?。?jīng)信號調(diào)理電路處理后送入單片機，由單片機對數(shù)據(jù)作A/D轉(zhuǎn)換、打包等進一步處理后，將數(shù)據(jù)輸入無線通信模塊，無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時單片機控制狀態(tài)指示燈閃爍一次，無線通信模塊亦可以接收數(shù)據(jù)給單片機。

4.2 中繼器節(jié)點硬件設計

圖4所示為中繼器節(jié)點的電路結(jié)構方框圖。

圖4 中繼器節(jié)點的電路結(jié)構方框圖

電源開啟后，狀態(tài)指示燈亮，單片機自動輸出一個開始指令進入輸入無線通信模塊，無線通信模塊將該指令發(fā)送出去，等待一段時間后，無線通信模塊將接收到的由終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)輸入單片機，這時狀態(tài)指示燈滅，單片機對數(shù)據(jù)進行處理后送到顯示模塊顯示，同時送到存儲器存儲。當有異常情況發(fā)生時，單片機控制報警電路報警。單片可通過USB接口同計算機進行數(shù)據(jù)交換。上述過程也可通過中繼器鍵盤來控制該中繼器是否工作。

5 軟件設計流程

終端節(jié)點和中繼器節(jié)點電源開啟后，中繼器節(jié)點發(fā)送開始指令，終端節(jié)點接收到開始指令后，由甲烷濃度傳感器和溫度傳感器從周圍環(huán)境中采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?，信號調(diào)理電路對采集的數(shù)據(jù)進行預處理，再由單片機對數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換、打包等處理，然后終端節(jié)點進入發(fā)送狀態(tài)，無線通信模塊把數(shù)據(jù)包發(fā)送給中繼器節(jié)點;中繼器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理，然后顯示模塊顯示各終端節(jié)點采集的瓦斯?jié)舛?、溫度以及各終端節(jié)點的工作情況。同時存儲器記錄動態(tài)變化的瓦斯?jié)舛?，當瓦斯?jié)舛瘸藁蛴泄?jié)點失效時，報警電路立即報警。同時中繼器將該局部網(wǎng)絡監(jiān)測的結(jié)果經(jīng)其他中繼器送至井上，經(jīng)協(xié)調(diào)器配置后，由CAN總線將數(shù)據(jù)輸送到主機，使地面監(jiān)測人員實時監(jiān)測井下各處的工作狀況。終端節(jié)點與中繼器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點與中繼器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信流程圖

6 結(jié)束語

針對煤礦有線安全監(jiān)控網(wǎng)絡布設擴展不方便，存在大量監(jiān)控死角;發(fā)生故障或遭到破壞時，整個系統(tǒng)完全癱瘓，難以滿足安全監(jiān)控及時通信的不足。本文提出了一種以低功耗16位單片機MSP430系列單片機為主控制器，基于無線傳感網(wǎng)絡的監(jiān)測、監(jiān)控、顯示、報警、通信等多功能于一體的監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用了單片機的集成度高、功能強、體積小、功耗低、性能可靠等特點。與煤礦有線安全監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有較高的礦難抗毀能力。在正常情況下終端節(jié)點作為安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集源，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)無死角采集、快速處理和傳輸，移動目標定位、跟蹤、任務分配和協(xié)調(diào)控制。在礦難情況下，終端節(jié)點能夠通過自組織形式形成應急通信網(wǎng)絡，保證井下信息及時準確地采集與安全可靠地傳輸。

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