Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

孫婷婷

（1．合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；2．淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

0 引言

隨著經(jīng)濟額發(fā)展，現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，能源的需求量加大，對煤炭的開采量也日益增大。煤礦事故頻發(fā)，國家對煤礦的安全生產(chǎn)提出了更高的要求。相應(yīng)地，煤礦安全監(jiān)控技術(shù)也在不斷改進?；幢爆F(xiàn)有的多處煤礦采用了數(shù)字化的煤礦信息技術(shù)，對井下瓦斯氣體的監(jiān)控都采用有線的方式。但由于井下的地形復(fù)雜，存在狹窄和異形的巷道，鋪設(shè)有線線路非常困難。井下環(huán)境常年潮濕，線路容易腐蝕，維護工作繁重。采煤面隨開采的進程不斷變化，采煤面是工作人員密集的地方，更需要準(zhǔn)確的瓦斯數(shù)據(jù)保證工作環(huán)境的安全，對于瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測有線的方式很難實現(xiàn)。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到井下瓦斯監(jiān)控中去的構(gòu)想正解決了這一難題。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)及zigbee技術(shù)

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)展孕育出的產(chǎn)物［1］。無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般通過在監(jiān)測的范圍內(nèi)隨機投放一些傳感器的方式，利用無線電波將它們連接起來，各個傳感器形成一個自組織、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、匯聚節(jié)點、任務(wù)管理節(jié)點構(gòu)成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在需要監(jiān)測的區(qū)域分布傳感器用于采集各類數(shù)據(jù)信息。比如濕度、溫度、壓力、濃度、噪聲，等等。

Zigbee技術(shù)作為一種新興的短距離無線雙向通信技術(shù)，因為其成本低、損耗小、時延短、安全性高、靈活性好等特點，而受到關(guān)注并得到廣泛應(yīng)用。本論文討論的就是基于zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方案。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)礦井地形復(fù)雜多變的實地考察以及相關(guān)技術(shù)分析。設(shè)想井下采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測進行瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的實時采集和傳輸。但無線電波會受到井下多種因素的干擾，無線傳感網(wǎng)絡(luò)以多跳的形式通信，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不高。綜上，本論文提出井下瓦斯?jié)舛鹊恼w監(jiān)控采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方案。監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計模型如圖2所示。

圖1 傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 無線、有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的綜合監(jiān)測系統(tǒng)模型圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3．1 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點作為無線傳感網(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［2］。其節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點的處理器均選用適用于zigbee技術(shù)的TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片。該芯片工作在免費的2．4GHz全球通用頻段上，其內(nèi)部集成了加強的8051處理器、128Flash內(nèi)存、8KbRAM和RF射頻前端，在收發(fā)數(shù)據(jù)的同時進行簡單的數(shù)據(jù)處理。傳感器采用電池供電的方式，數(shù)據(jù)的采集傳輸盡可能降低能耗，CC2430芯片低耗能的優(yōu)點正滿足傳感器節(jié)點的要求。

3．2 傳感器選型

目前，瓦斯氣體監(jiān)測使用的傳感器種類很多。大致分為：紅外瓦斯傳感器、熱催化瓦斯傳感器、光纖瓦斯傳感器等等。為了保證采集瓦斯數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們選擇依據(jù)熱催化原理制成的瓦斯傳感器。這類傳感器主要工作在3．0V電壓下，監(jiān)測瓦斯的敏感元件是電阻絲［3］。當(dāng)傳感器通電后表面產(chǎn)生熱量，遇瓦斯氣體產(chǎn)生熱催化反應(yīng)，阻值變大造成電橋電路失衡輸出電壓，瓦斯?jié)舛仍龈唠妷弘S之增加。由此將瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，放大后的電信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號發(fā)送出去經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。具體傳感器結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于zigbee技術(shù)的無線傳感瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的節(jié)點大致分為終端節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點三種類型。無線傳感網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為核心，主要依靠節(jié)點進行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析和處理的工作。因此節(jié)點的軟件設(shè)計是系統(tǒng)整體軟件設(shè)計的核心，決定著監(jiān)測系統(tǒng)整體性能的好壞［4］。根據(jù)節(jié)點的功能，三類節(jié)點的流程圖設(shè)計如圖5。

終端節(jié)點主要負責(zé)采集井下的瓦斯的濃度，并將數(shù)據(jù)進行簡單的處理；路由節(jié)點充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中路由器的作用。主要完成路由選擇和消息轉(zhuǎn)發(fā)等工作；匯聚節(jié)點整合各節(jié)點傳輸給它的數(shù)據(jù)，并與井下大巷道的有線以太網(wǎng)相連，進而連接地面上的監(jiān)測系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的，一些毀壞的傳感器節(jié)點可以自行退出網(wǎng)絡(luò)，新添加的傳感器節(jié)點可以自行加入網(wǎng)絡(luò)［5］。在井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的范圍內(nèi)，各節(jié)點可自行出入網(wǎng)絡(luò)，因此需要設(shè)計動態(tài)的管理方案，確保無線傳感網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)重組。動態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案如圖6。

圖5 節(jié)點流程圖

圖6 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理流程圖

5 總結(jié)

本論文在討論了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Zigbee技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)有的有線瓦斯監(jiān)測方法的不足，提出了一種基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)和有線以太網(wǎng)相結(jié)合的設(shè)計方案。該方案能實現(xiàn)井下瓦斯數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，對于煤礦安全生產(chǎn)有著重要的意義。在未來無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)上，對于井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計將更為完善．

［1］郭雅萌，王建新，楊世鳳，等．網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的實時性研究［J］．國外電子測量技術(shù)，2006（1）．

［2］李繼林．煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．煤炭技術(shù)，2008，22（11）．

［3］瞿雷，劉盛德，胡咸斌．Zigbee技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

［4］王玉芬，王治斌，李長江．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2007（6）．

［5］陳旭，方康玲，李曉卉．基于 CC2430的ZigBee數(shù)據(jù)集系統(tǒng)設(shè)計［J］．湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，22（6）．