煤 礦野外生產(chǎn)生活區(qū)高位水池無線檢測系統(tǒng)——一種基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實例

天地（常州）自動化股份有限公司 劉艷玲

西安奧森測控技術(shù)有限公司 王 鼎

一、引言

由于煤礦企業(yè)野外生產(chǎn)、生活區(qū)地處偏遠無自來水供給，因此均建有高位水池，為生產(chǎn)、生活、消防提供用水。生活區(qū)位于山坳中，蓄水池位于山腰較高處。由于當?shù)氐貏菰?，高位水池地理位置距生活區(qū)泵站較遠，在存水位變化情況無法反饋給泵站以控制泵站泵水問題。系統(tǒng)使用前，工作人員需每隔兩小時從山下爬到蓄水池處觀察水位高度，重復(fù)勞動，耗時耗力，給生產(chǎn)生活帶來極大不便?！懊旱V野外生產(chǎn)生活區(qū)高位水池無線檢測系統(tǒng)”通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將液位、溫度信息通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心收到遠傳數(shù)據(jù)并通過軟件在工控機上顯示，按預(yù)先設(shè)定的上下限進行聲光報警。工作人員直接查看 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，控制泵的啟停。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，將工作人員和現(xiàn)場檢測設(shè)備之間進行無縫連接。工作人 員通過本套系統(tǒng)遠距離實時感知檢測對象各項參數(shù)變化情況，及時 發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，防患于未然。提高了檢測時效性和風險預(yù)警能力，降低了工作人員勞動強度。

圖2 智能Zigbee溫度、液位變送器

圖3 現(xiàn)場溫度、液位檢測設(shè)備

二、Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wi reless Sensor Network，WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者的。廣泛的應(yīng)用于軍事、航空、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用。

圖4 太陽能電源管理結(jié)構(gòu)圖

圖5 路由（左），接收（右）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：

（1）大規(guī)模：為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，可能達到成千上萬，甚至更多。

（2）自組織：能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（3）動態(tài)性：傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)能夠隨著實際應(yīng)用而改變。

（4）可靠性：各個傳感器節(jié)點具有魯棒性和容錯性特點，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可靠的通信保密性和安全性，杜絕監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。

本系統(tǒng)是以2.4GHz Zigbee①無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本套系統(tǒng)分為現(xiàn)場供電、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、無線傳輸三部分。Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸要求相鄰兩個節(jié)點之間可視，由于現(xiàn)場高位水池與污水站監(jiān)控中心存在遮擋物（風機房），因此設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

整套系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)分為終端、路由、接收三部分。終端采用低功耗Zigbee無線傳感器采集溫度、液位信息，將溫度、液位模擬量信息轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信息，MCU將數(shù)字信息打包、加密并加上地址包頭交個Zigbee通訊模塊。Zigbee通訊模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由結(jié)點。路由節(jié)點收到信息后，解析數(shù)據(jù)包頭，產(chǎn)看是不是發(fā)送給自己的信息，如果是將信息留下，如果不是將信息發(fā)送至下一個結(jié)點。信息最終通過幾級路由跳躍傳輸至地址對應(yīng)的接收模塊。接收模塊將數(shù)據(jù)解密，通過RS485串口轉(zhuǎn)交給工控機。工控機通過圖形、表格的形式將數(shù)據(jù)呈獻給工作人員。

三、終端

本系統(tǒng)終端采用智能Zigbee溫度、液位變送器，由高性能擴散硅壓阻式壓力傳感器、Pt1000溫度敏感電阻作為測量元件，把與液體的溫度、靜壓準確測量出來，并經(jīng)過信號ADC采集到成數(shù)字信號，通過2.4GHz Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至檢測中心。實現(xiàn)遠程實時在線對液體深度、溫度的測量。如圖2所示，智能Zigbee溫度、液位變送器采用微功耗電源管理設(shè)計，根據(jù)用戶設(shè)定的工作周期，定時采集液位、溫度、電池電量、報警值等信息，并主動上傳。在3.8V鋰離子電池供電下，變送器發(fā)送數(shù)據(jù)電流小于200mA（0.2A）。數(shù)據(jù)完成采集和上傳后變送器進入深度休眠狀態(tài)，休眠電流小于10uA（0.00001A）。通過該技術(shù)，儀表僅在工作時消耗較大的電流，休眠時僅有微小的電量消耗，為系統(tǒng)在液位環(huán)境下的長期使用提供硬件保障。

如圖4所示，由于測量現(xiàn)場無法提供公網(wǎng)電源供電，因此現(xiàn)場采用太陽能電池板供電。在天氣狀況良好的情況下，太陽能電池板給鋰離子電池充電。鋰離子電池為智能Zigbee溫度、液位變送器（如圖3所示）提供電源供給。當天氣狀態(tài)較差時，鋰離子電池為智能Zigbee溫度、液位變送器提供至少15天的工作電量，為系統(tǒng)在野外環(huán)境下免維護長期使用提供電源保障。

四、路由

Zigbee無線通訊技術(shù)要求，相互傳輸數(shù)據(jù)的兩個節(jié)點之間可視且無障礙物。兩個節(jié)點之間有障礙物可通過增設(shè)路由節(jié)點實現(xiàn)互聯(lián)互通。終端與接收之間無法直接可視，增設(shè)路由點，終端和路由可視，接收和路由（如圖5所示）可視，實現(xiàn)了終端和接收的間接可視，實現(xiàn)終端和接收之間數(shù)據(jù)交互。

本系統(tǒng)路由模塊設(shè)置在風機房頂上，終端和路由之間可視，接收和路由之間可視。路由需要實時在線，因此采用有線電源供電，從風機房直接獲取AC 220V交流電，為Zigbee路由模塊提供持續(xù)電源。Zigbee路由模塊實時在線接收并換發(fā)信息至下一個路由節(jié)點或者數(shù)據(jù)接收模塊。本系統(tǒng)通過路由模塊為橋梁繞過了，障礙物風機房，實現(xiàn)了終端與接收模塊的互傳互聯(lián)。

五、接收

本系統(tǒng)接收模塊設(shè)置在污水站數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，和路由節(jié)點之間可視。路由節(jié)點接收到終端發(fā)送到的數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)給接收模塊。接收模塊解密數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過RS485接口，以Modbus協(xié)議傳輸給監(jiān)控中心工控機。

監(jiān)控中心工控機運行數(shù)據(jù)檢測軟件，數(shù)據(jù)檢測軟件將數(shù)據(jù)按照協(xié)議解析，并將液位、溫度、電池電量、報警值等信息以Excel表格的形式存儲，以圖形形式直觀展示給工作人員。工作人員根據(jù)檢測到的現(xiàn)場信息，調(diào)整高位水池儲水液位。

六、結(jié)論

本系統(tǒng)已經(jīng)在山西某煤礦穩(wěn)定運行1年之久，期間設(shè)備運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸實時性強，解決了礦區(qū)對于高位水池液位、溫度等的檢測需求。方便了礦區(qū)生產(chǎn)生活，減輕了工作人員的勞動強度，為企業(yè)節(jié)省了人力資源開支。本套系統(tǒng)是無線先傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實例應(yīng)用典范，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣提供參考依據(jù)。

注釋：

①Zigbee:Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議,是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。具有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點。

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