無線傳感網(wǎng)絡(luò)在煤炭遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳偉森

摘 要：傳統(tǒng)的煤炭監(jiān)測系統(tǒng)基本上采用有線監(jiān)測的形式，這種形式施工困難，成本高，應(yīng)用范圍較窄。本文提出了將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，這樣大大降低了數(shù)據(jù)獲取的局限，結(jié)合煤炭行業(yè)特點(diǎn)、工作經(jīng)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、煤炭產(chǎn)量、煤炭產(chǎn)地以及輸入與輸出，介紹了煤炭產(chǎn)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的形成背景、組成結(jié)構(gòu)、當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展前景等，并探討了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在這一系統(tǒng)中信息感應(yīng)、傳輸與應(yīng)用等具體應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；煤炭；遠(yuǎn)程；測試；應(yīng)用

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)無線聯(lián)通、信息分布處理解決、以及高速網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，無論是在什么時間、位于什么地點(diǎn)以及各種環(huán)境下獲取大量真實(shí)并且有重要的信息讓群眾贊不絕口，從而在真實(shí)意義上實(shí)現(xiàn)了“全面覆蓋”的設(shè)計理念。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)之無愧的現(xiàn)代新興的傳感網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用前景相當(dāng)?shù)钠毡?，是我國未來?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性資源，它的進(jìn)一步發(fā)展以及擴(kuò)大應(yīng)用，將給人類未來的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域送來重要的意義。隨著我國當(dāng)下經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及現(xiàn)代化建設(shè)步伐的快速發(fā)展，對各種新型能源的需求量不斷的加大，對煤炭的開采量也日益增大。因?yàn)槊旱V事故頻煩的發(fā)生，人們的安全質(zhì)量沒有得到有效的保障，基于此國家對煤礦的安全生產(chǎn)提出了更高的要求。因此將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)控中去的構(gòu)想正高效解決了這一難題。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及煤炭事業(yè)的發(fā)展

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等飛速發(fā)展孕育出的新興產(chǎn)物[1]。當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般是通過在監(jiān)測的范圍內(nèi)隨機(jī)投放一些傳感器的方式，我們?nèi)藶榈乩脽o線電波將它們各個部分都有效的連接起來，那么各個傳感器之間就形成一個自組織、多跳的無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成，典型結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。在需要監(jiān)測的區(qū)域分布傳感器用于采集各方面的數(shù)據(jù)信息。比如濕度、溫度、壓力、濃度、噪聲，等等。

在商業(yè)應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）就能夠使得信息俘獲和處理簡單化。成功的系統(tǒng)設(shè)計和部署是由對RF信道特性的理解，和功耗選擇調(diào)制機(jī)制。WSN的有效范圍、數(shù)據(jù)速率以及電池的壽命是由這些因素決定的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的碩大進(jìn)步得力于RF器件和微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS）的日益小型化以及無線技術(shù)的進(jìn)步。傳感器網(wǎng)絡(luò)在收集關(guān)于物理世界的參數(shù)信息方面提供了一個很有前途的架構(gòu)，已從軍事應(yīng)用逐步過度到民用環(huán)境中。在無線傳感器系統(tǒng)中，單個節(jié)點(diǎn)能夠感應(yīng)其環(huán)境，本地對信息進(jìn)行處理，或者使用無線鏈路發(fā)送到一個或多個集結(jié)點(diǎn)。 所以節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離不遠(yuǎn)是因?yàn)镽F發(fā)射功率低。傳輸信號被竊聽的概率降低，同時電池的壽命還大大延長了，這是短距離傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的功率消耗是很重要的因?yàn)橛行┕?jié)點(diǎn)很難到達(dá)，難以更換電池；還有，節(jié)點(diǎn)需要工作很長時間。一個重要問題，來自其他系統(tǒng)或者系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的無線電干擾會降低系統(tǒng)性能。所有這些RF系統(tǒng)問題是將來該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。因?yàn)榉奖惆惭b，不僅點(diǎn)對點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被WSN使用，而且對架構(gòu)的依賴也降低。WSN使用的架構(gòu)點(diǎn)對點(diǎn)與傳統(tǒng)的無線點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別在于它的性能依賴于傳感器節(jié)點(diǎn)的特性表現(xiàn)。圖2為商業(yè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)示意圖。節(jié)點(diǎn)的組成部分有：微控制器（處理與控制來自傳感器的信號）、RF收發(fā)器、傳感器或者感知環(huán)境的傳感器、天線（物理環(huán)境收發(fā)器接口）以及電源（為各節(jié)點(diǎn)模塊提供電壓）。

我國當(dāng)前綜合網(wǎng)絡(luò)的日益不斷建設(shè)與發(fā)展給煤炭集團(tuán)教育事業(yè)帶來了巨大影響以及深刻變革。當(dāng)下隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟、產(chǎn)業(yè)化以及其廣泛的應(yīng)用，它的部署越加靈活，覆蓋面越加廣，以及傳輸率不斷的上升的特性已經(jīng)引起了煤炭集團(tuán)的高度關(guān)注以及深度的重視。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一個新興的、低通道、低數(shù)據(jù)、低成本、易于規(guī)?；贾谩⒌惋L(fēng)險以及簡潔簡單等，在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中的起著至關(guān)重要的作用，主要在各類數(shù)據(jù)的采集方面以及傳輸方面上廣泛的使用，當(dāng)下已經(jīng)當(dāng)之無愧的轉(zhuǎn)變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)領(lǐng)域里的一道重要的風(fēng)景。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于交通智能環(huán)境保護(hù)、群眾生活保障、居家安全、工業(yè)監(jiān)測、老人贍養(yǎng)、交通安全、個人環(huán)境、等眾多的領(lǐng)域行業(yè)，前景發(fā)展一片光明，是我國以后長久大量高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)不可或缺的重要戰(zhàn)略。本文中具體設(shè)計了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤炭集團(tuán)大規(guī)模遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，并且在測試中有比較好的效果。

2 煤炭遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)

煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前我國的現(xiàn)代化煤炭企業(yè)普遍都安裝的，但是安全監(jiān)控系統(tǒng)大部分都是封閉性的，系統(tǒng)中使用的都是不同廠商自己設(shè)計的通信協(xié)議和信息交換標(biāo)準(zhǔn)，缺乏有效的數(shù)據(jù)傳輸手段，無法對煤炭遠(yuǎn)程的安全檢測數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控達(dá)到統(tǒng)一。因此安全監(jiān)測系統(tǒng)在煤炭遠(yuǎn)程安全中的作用大大的削弱。所以改正煤炭遠(yuǎn)程信息交流的不足，并且使自動化管理水平得到提升，使安全生產(chǎn)信息能夠深入到各級煤礦管理和監(jiān)察機(jī)構(gòu)，現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是必不可少的，安全遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的建立是大勢所趨。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，由傳感器模塊、通信模塊、控制處理模塊、能量存儲模塊等四大模塊組成。其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

3.2 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)以溫度濕度這2個物理量為測量對象，選定了 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，以LPC2200為處理器，來采集溫濕度并發(fā)送數(shù)據(jù)，最后DTU通過GPRS來傳輸數(shù)據(jù)。具體見圖3-2。其中DHT11數(shù)字溫濕度傳感器既可以測量濕度與溫度。傳感器包括一個NTC測溫元件和一個電阻式感箱，并可直接與單片機(jī)相連。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器體積小、功耗低，信號傳輸距離可達(dá)20m以上。對于溫度測量的敏感度為0-100℃、測溫誤差為±2℃，濕度為20%-90%、測濕誤差為±5%。單片機(jī)和DHT11之間的通訊采用單線雙向制，完整的溫度濕度測量時間大約 4ms，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位數(shù)據(jù)，而且是高位先輸出。

4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤炭遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

有一個為無線嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的開放源代碼的操作系命名為TinyOS，其顯著特性是基于組件，使用最小代碼快速來使用。用戶能夠根據(jù)自己的需要而對TinyOSu的組件進(jìn)行擴(kuò)展，包括了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，傳感器驅(qū)動，分布式服務(wù)以及數(shù)據(jù)獲取工具。允許動態(tài)性調(diào)度是它顯著的特性。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，使用 UC Berkely的TinyOs實(shí)現(xiàn)。在TinyOS上編寫程序使用的語言為 nesC，nesC為應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的一種類C語言，支持基于組件的編程模式，引入了接口和組件的概念。傳感器節(jié)點(diǎn)部署到監(jiān)測區(qū)域后，要進(jìn)行初始化，設(shè)置相應(yīng)初始值，然后等待基站發(fā)送監(jiān)測命令，一旦接到命令以后，在額定時間內(nèi)探測其當(dāng)前位置的時間段氣體濃度值，外一超時，等待下一輪命令后繼續(xù)測試。當(dāng)測試結(jié)束后，就將有關(guān)的數(shù)據(jù)打包上傳到基站，若沒有接收到基站對數(shù)據(jù)的確認(rèn)，認(rèn)為沒有發(fā)送成功，那么將重新采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包上傳。

總之，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺的煤炭遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)具有覆蓋面積廣闊、支持的節(jié)點(diǎn)眾多、組網(wǎng)特別靈活、成本低和能耗小等特點(diǎn)，能夠有效地滿足煤礦、碼頭等眾多場所的煤炭自燃預(yù)警與監(jiān)測的需要。

該系統(tǒng)具有較好的功能擴(kuò)展性，易于改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)其他場所的火災(zāi)預(yù)警與監(jiān)測、對煤炭遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的重要作用以及對社會消防安全機(jī)制有著極大的借鑒意義，應(yīng)用前景非常廣泛。因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)在煤炭等眾多設(shè)施的發(fā)展是我國重要的發(fā)展戰(zhàn)略之一.

[參考文獻(xiàn)]

[1]袁弱男，李笑，吳乃優(yōu)，等.無線分布式集成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息.2003，12（9）：40-41.

[2]馬祖長，喬暉，孫怡寧.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器.2012，11（10）：49.

[3]羅建，戴善溪，等.基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的分布式無線溫濕度測量系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù).2009，12（2）：114-116.

[4]耿新民，孫錦中.基于ARM和GPRS的無線通信系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù).2009，1（32）：58-60.

[5]孫雨耕，張靜，孫永進(jìn)，等.自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感器技術(shù)學(xué)報.2011，3（2）：331-335.

[6]張宏，張麗.基于Web嵌入式的礦井遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤炭技術(shù).2011，30（10）：98-100.