基于ZigBee 與GPRS 的煤礦環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊文環(huán) 孫久運 王闊音

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221116)

我國礦山地質(zhì)條件復(fù)雜、生產(chǎn)體系龐大、采掘環(huán)境多變，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行實時監(jiān)測［1-5］，對于避免或降低礦山各類環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害所造成的損失具有重要作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種典型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在礦山環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，涌現(xiàn)出一批具有較強實用價值的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)［6-11］，但其中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機通信通常采用USB 接口、RS232 串口等有線通信方式，傳輸距離有限。為此，在本研究所開發(fā)的煤礦環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，根據(jù)節(jié)點實際功耗，采用太陽能電池板、蓄電池及干電池相結(jié)合的供電方式，解決了節(jié)點能量受限問題，克服了傳統(tǒng)監(jiān)測布線困難、動態(tài)性差、覆蓋范圍有限等缺點。同時結(jié)合GPRS 模塊［12-13］，僅需插入1 張SIM 卡，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)可將煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至上位機監(jiān)控中心，實現(xiàn)了對煤礦環(huán)境的自動、實時、低成本、遠距離監(jiān)測，對于提高煤礦的信息化水平大有裨益。

1 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是指將傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、儲存、處理與分析技術(shù)集成的現(xiàn)代信息技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的一種重要技術(shù)形式［14-16］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，僅關(guān)心最終數(shù)據(jù)的獲取，并不關(guān)心數(shù)據(jù)的來源與途徑，其網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)性高，節(jié)點路由路徑連通性好，數(shù)據(jù)傳輸可靠，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通常結(jié)構(gòu)簡單、功耗較低且布設(shè)密集。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無需電源和數(shù)據(jù)線，節(jié)點布設(shè)受地質(zhì)環(huán)境約束較小，可擴展性高，增減數(shù)據(jù)點較為容易。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示，按照某種規(guī)則在監(jiān)測區(qū)域中感知對象的內(nèi)部或附近布設(shè)一定數(shù)量的傳感器節(jié)點，該類節(jié)點自動組成無線網(wǎng)絡(luò)，通過相互協(xié)作可實時感測和處理監(jiān)測區(qū)域中的相關(guān)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)直接或通過多跳中繼方式發(fā)送至Sink 節(jié)點，最后由Sink 節(jié)點借助GPRS 遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送至遠程數(shù)據(jù)庫進行處理。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wireless sensor networks

1.2 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4 無線標準開發(fā)的無線組網(wǎng)技術(shù)［17］，主要工作于2.4 G 與868/915 MHz 等免費頻段上，其傳輸距離主要受信道環(huán)境和輸出功率的影響，通常為10 ～75 m。ZigBee作為一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)拓撲主要有星形、樹形和網(wǎng)狀等3 種形式，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的尋址方式主要有16 bit 的本地地址和64 bit 的IEEE 地址2 種。網(wǎng)絡(luò)由上至下可分為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，各層之間相對獨立，便于設(shè)計與調(diào)試。

ZigBee 技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點從功能完整性上分為2 類:①全功能設(shè)備(fully function device，F(xiàn)FD)，既可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，具有協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的功能，也可以充當普通的傳感器節(jié)點，可與網(wǎng)絡(luò)中的其他任何設(shè)備進行通訊，通常擁有相對較大的存儲空間與較強的處理能力;②簡化功能設(shè)備(reduced function device，RFD)，僅作為傳感器節(jié)點使用，主要用于采集數(shù)據(jù)信息并將數(shù)據(jù)發(fā)送給FFD，通常內(nèi)存較小，功耗較低。在ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通過該2 種設(shè)備協(xié)調(diào)工作，在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時可有效降低整體功耗。ZigBee 技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)靈活、動態(tài)性好、穩(wěn)定性高、低功耗、低成本、低等待時間等特點，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢。

1.3 GPRS 技術(shù)

GPRS 是在GSM 全球移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展的一種分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)［18］，具有覆蓋范圍廣、接入速度快、數(shù)據(jù)傳輸效率高、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)流量資費低等特點，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的Sink 節(jié)點與遠程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2 煤礦環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

如圖2 所示，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布設(shè)大量節(jié)點，該類節(jié)點通過自組織的方式組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(圖1 中的“node”和“route node”)通過ZigBee協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)直接或以路由中繼的方式發(fā)送至主節(jié)點(Sink node)。主節(jié)點與GPRS 模塊相連接，可以通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。節(jié)點采用非常適用于低功耗ZigBee 系統(tǒng)的飛比小金剛－CC2530 ZigBee 模塊電池板和具有高性能的射頻收發(fā)器、增強型的8051CPU、8 kB 的SRAM、AES 安全協(xié)同處理器及21 個通用IO 引腳的飛比FB2530RF_ACC2530 射頻開發(fā)板組成。通過IAR 開發(fā)環(huán)境自帶的CC2530. h頭文件中對各個特殊功能寄存器的定義，可便于對該類引腳進行編程，配置為連接模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、計時器或串口部件的外圍設(shè)備I/O［19］。本系統(tǒng)所采用的傳感器有SHT10 防護型溫濕度傳感器、GY － 63 MS5611 －01BA03 氣壓傳感器等，用于采集監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度、氣壓等信息。傳感器節(jié)點采用空閑休眠機制，即只有在有數(shù)據(jù)傳送時才被喚醒工作，功耗較低，使用干電池供電。

圖3 傳感器節(jié)點硬件Fig.3 Hardware of sensor nodes

2.2.2 中心節(jié)點

中心節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。采用飛比CC2530 ZigBee/RF4CE 開發(fā)板和飛比FB2530RF_A CC2530 射頻開發(fā)板組成控制核心，同時集成了COMWAYWG－8010 －232 GPRSDTU 模塊，二者之間采用RS232 串口方式進行通信，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送至遠程監(jiān)控中心。另外，考慮到中心節(jié)點功耗較高，采用太陽能板電池與蓄電池相結(jié)合的供電方式，同時使用直流控制器避免蓄電池因過充或過放而被損壞，以延長節(jié)點的工作時間。

圖4 中心節(jié)點硬件Fig.4 Hardware of sinknode

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 上位機監(jiān)控軟件

上位機監(jiān)控軟件具有實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示、統(tǒng)計查詢、增刪記錄等數(shù)據(jù)管理功能，主要包括:①數(shù)據(jù)庫管理模塊，由數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，數(shù)據(jù)庫用于存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責(zé)各模塊與數(shù)據(jù)庫之間的交互;②系統(tǒng)管理模塊，主要用于實現(xiàn)用戶對監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理操作;③數(shù)據(jù)處理模塊，負責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并將其傳輸至系統(tǒng)管理模塊。上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)為C/S 結(jié)構(gòu)，使用面向TCP/IP 協(xié)議的Socket 通訊機制，結(jié)合SQL 數(shù)據(jù)庫，采用Microsoft Visual C#語言編寫程序。上位機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

2.3.2 下位機監(jiān)控軟件

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Monitoring system structure

下位機監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立、傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送、中心節(jié)點與GPRS 模塊之間的數(shù)據(jù)通訊以及GPRS 模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。該部分程序采用TI 公司開發(fā)的Z_Stack協(xié)議棧［20］，在IAR編譯環(huán)境中使用C#語言進行開發(fā)。對于傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時采集、A/D 運算、定時發(fā)送、定時休眠等功能，同時將一部分傳感器節(jié)點設(shè)置為路由節(jié)點，增加路由功能，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的路由中繼;對于中心節(jié)點主要實現(xiàn)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，借助CC2530 芯片的API 函數(shù)，遵循約定的報文格式，由中心節(jié)點向GPRS 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建與數(shù)據(jù)采集過程見圖6。GPRS 數(shù)據(jù)收發(fā)流程見圖7。

圖6 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建與數(shù)據(jù)采集過程Fig.6 Process of ZigBee wireless sensor networking and data collection

3 應(yīng)用實例

圖7 GPRS 數(shù)據(jù)收發(fā)流程Fig.7 Flow-sheet of the transmission of GPRS data

在山東省鄒城市鮑店礦區(qū)選取試驗場對所設(shè)計的煤礦環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行測試。將IAR 編譯生成的hex 文件燒寫到CC2530 單片機并連接好溫濕度與氣壓傳感器，采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方案，在監(jiān)測區(qū)域布設(shè)8 個監(jiān)測點，其中3 個節(jié)點距離中心節(jié)點20 m，將其中的2 個節(jié)點設(shè)置為路由節(jié)點，用于與中心節(jié)點距離較遠的傳感器節(jié)點間的信息傳遞。同時打開遠程服務(wù)器，配置好與中心節(jié)點相連接的GPRS模塊的IP 地址與端口號，即可進行測試。啟動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并連接GPRS－DTU 后，在遠程監(jiān)控中心可通過選擇節(jié)點編號，查看相應(yīng)節(jié)點所采集的溫濕度與氣壓數(shù)據(jù)，并可查詢指定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)溫度監(jiān)控面板的界面如圖8 所示。

圖8 溫度監(jiān)控面板界面Fig.8 Interface of temperature monitoring

為了驗證該系統(tǒng)溫濕度傳感器所采集數(shù)據(jù)的準確性，選取其中3 個監(jiān)測點，將傳感器節(jié)點的監(jiān)測值與同一時刻WSK －SC 手持溫濕度計實地采集的數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表1。

表1 監(jiān)測值與對比值結(jié)果Table 1 Results of monitoring value and comparison value

由表1 可知，該系統(tǒng)溫度控制精度為±1 ℃，濕度控制精度為±4.5%，可見，該系統(tǒng)溫濕度傳感器精度與WSK －SC 手持溫濕度計精度相當，可以滿足煤礦環(huán)境的監(jiān)測要求。

4 結(jié) 語

根據(jù)煤礦現(xiàn)場監(jiān)測的實際需求，將ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS 技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一套煤礦環(huán)境信息無線采集系統(tǒng)，同時結(jié)合上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對煤礦環(huán)境的遠程實時監(jiān)測。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行可靠、可適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，成本較低，同時克服了有線網(wǎng)絡(luò)布線難度大、節(jié)點安置不靈活、動態(tài)性差、難以維護等弊端，在礦山環(huán)境綜合監(jiān)測領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

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