基于WIFI和SIM300的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯捷

(山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院， 山東青島266590)

[摘要]在復(fù)雜的礦區(qū)環(huán)境下，有線通信有著很大的局限性，難以滿足日常工作需要。本文設(shè)計(jì)的基于WIFI和SIM300的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在很大程度上避免了因物理連線斷路導(dǎo)致通信癱瘓的弊端，實(shí)現(xiàn)將井下環(huán)境信息通過(guò)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)傳遞至井上，進(jìn)而通過(guò)GPRS技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)端指揮中心，同時(shí)指揮中心可以采取通話、短信的方式控制處理器實(shí)施必要防范措施.

[關(guān)鍵詞]WIFI;AdHoc;SIM300;GPRS;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[收稿日期]2015-08-12

[作者簡(jiǎn)介]侯捷(1989-)，男，山東煙臺(tái)人，山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院信號(hào)與信息處理專業(yè)2012級(jí)在讀研究生，主要從事電子通信方面的研究.

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD65+5 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

0引言

煤炭行業(yè)事故頻發(fā)，尤其是在情況復(fù)雜多變的井下，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息，提前做出預(yù)判采取必要措施.然而以往通信大多采用物理連接的方式，現(xiàn)在的大中型煤炭企業(yè)也相繼引入了光纖環(huán)網(wǎng)通信[1]，一旦發(fā)生斷路，所有信息的傳遞將被截止.因此，保障礦區(qū)生命財(cái)產(chǎn)安全需要一套額外獨(dú)立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，緊急調(diào)度人員車(chē)輛等.設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳感器收集井下各處重要信息，然后通過(guò)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)傳遞到井下WIFI轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而通過(guò)有線通信傳至井上的處理器，處理器將處理好的瓦斯?jié)舛?、溫度、圖像等數(shù)據(jù)再經(jīng)SIM300模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端的指揮調(diào)度中心，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，調(diào)度中心可采用短信、電話等方式將指令通過(guò)SIM300發(fā)給處理器，處理器根據(jù)收到的指令執(zhí)行相應(yīng)工作，例如，打開(kāi)排風(fēng)扇、播放警告和疏散錄音等.設(shè)計(jì)僅井下至井上一段采用了有線方式，最大程度避免有線通信弊端.

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由地上和地下兩大部分組成，地下部分主要有：AdHoc無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)[2 ,3]、WIFI轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器、無(wú)線傳感器包括瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌O濃度傳感器、煙霧傳感器、溫(濕)度傳感器等，地上部分主要有RS485模塊、處理模塊和SIM300模塊等.

2WIFI簡(jiǎn)介

WIFI是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備(如PDA、手機(jī))等終端以無(wú)線方式互相連接的技術(shù)，它基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE 802.11、802.11a、802.11b和802.11g.其中802.11a 標(biāo)準(zhǔn)使用5GHz 頻段[4]，支持的最大速度為54 Mb/s；802.11b和802.11g標(biāo)準(zhǔn)都使用2.4 GHz頻段，802.11g提供最高54Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，而802.11b是使用歷史最長(zhǎng)的WIFI技術(shù)，信號(hào)覆蓋范圍為80～100m.目前常用的展頻技術(shù)主要有以下4種：DD-SS直序展頻，F(xiàn)H-SS調(diào)頻展頻，TH-SS跳時(shí)展頻，C-SS連續(xù)波調(diào)頻.在以上常用技術(shù)中，DS-SS和FH-SS技術(shù)很常見(jiàn)，而且可以整合到其他的展頻技術(shù)上，其組成信號(hào)更隱密、功率更低、傳輸更為精確.整體來(lái)講，展頻技術(shù)有反竊聽(tīng)、抗干擾、有限度保密等方面的優(yōu)勢(shì).在煤礦井下，隨著井下小靈通的使用頻段的收回，超低頻透地通信系統(tǒng)存在著單向通信、天線架設(shè)高、施工難度大等固有缺陷，只適宜用于調(diào)度和救災(zāi)輔助通信系統(tǒng)；感應(yīng)通信利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的通信，因此傳輸參數(shù)不穩(wěn)定和干擾噪聲大，不適合用做全礦井無(wú)線通信系統(tǒng)；漏泄通信設(shè)備多、饋線長(zhǎng)且接收局限在離導(dǎo)線30m以內(nèi)，維護(hù)不便；基于WIFI技術(shù)的寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)，既解決了傳輸?shù)木嚯x問(wèn)題(直巷道覆蓋可達(dá)500m)，又可以滿足礦井本安型的需要.可實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的復(fù)用，組成星型+樹(shù)型結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前解決礦井無(wú)線通信最具性價(jià)比的技術(shù)之一.因此WIFI手機(jī)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在各大煤礦得到廣泛的應(yīng)用[5 ,6].

3AdHoc無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)

WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種：分別是AdHoc和Infrastructure[7].本文采用的是AdHoc自組織網(wǎng)絡(luò)模式，該模式不需要設(shè)置任何中心控制節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等關(guān)系，不僅可以隨處移動(dòng)而且具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的能力.

3.1路由協(xié)議

AdHoc網(wǎng)絡(luò)中多跳路由是由普通節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成的，必須設(shè)計(jì)專用的、高效的無(wú)線多跳路由協(xié)議.AdHoc網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的路由協(xié)議可分為兩大類(lèi)[8]：① 表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議，優(yōu)點(diǎn)是延遲時(shí)間短，缺點(diǎn)是需要定時(shí)更新路由信息，占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源，適用于穩(wěn)定的小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；② 按需路由，是在需要的時(shí)候搜索路由，優(yōu)點(diǎn)是不用定時(shí)更新節(jié)點(diǎn)信息，占用網(wǎng)絡(luò)資源少，缺點(diǎn)是延時(shí)比較長(zhǎng).目前常用的路由協(xié)議有DSDV、AODV、ZRP、DSR等.

3.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的基于WIFI的井下通信網(wǎng)絡(luò)，主要是建立在以太環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，其骨干網(wǎng)絡(luò)仍采用有線方式，在事故發(fā)生時(shí)常常會(huì)因?yàn)槲锢砭€路故障導(dǎo)致無(wú)線網(wǎng)絡(luò)也隨之癱瘓，根本無(wú)法體現(xiàn)WIFI通信的優(yōu)勢(shì).然而AdHoc自組織網(wǎng)絡(luò)模式以其無(wú)中心、自組織、多跳路由和動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)從根本上避免了上述問(wèn)題的發(fā)生.

3.3基于自組織網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳感器

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者，整個(gè)過(guò)程中多個(gè)節(jié)點(diǎn)密切配合，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊構(gòu)成[9 ,10]，如圖1所示，其中，傳感器模塊的功能是測(cè)量被測(cè)區(qū)域瓦斯?jié)舛?、溫度等信息并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；微處理器模塊用于驅(qū)動(dòng)傳感器并處理、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)；通信模塊負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行基于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞；電源模塊提供符合要求的電壓和電流.

圖1　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成框圖　　　　圖2　井上系統(tǒng)硬件組成圖

4井上系統(tǒng)說(shuō)明

4.1硬件組成

SIM300的SIM卡接口支持1.8V和3.3V的SIM卡，在SIM卡的6個(gè)管腳中，實(shí)際只用到5個(gè)，分別是SIM_PRESENT、SIM_VDD、SIM_I/O、SIM_CLK、SIM_RST.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井上硬件部分包括微處理器、存儲(chǔ)器、SIM300模塊、RS485模塊和電源等，如圖2所示.

4.2軟件設(shè)計(jì)

井上系統(tǒng)中微處理器通過(guò)RS485模塊接收來(lái)自井下的環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、處理，然后微處理器運(yùn)用串口與SIM300通信將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端指揮中心.指揮中心分析檢測(cè)所得數(shù)據(jù)，判斷是否處在正常范圍，若超出警戒值立刻撥打電話或者發(fā)送短信指令，微處理器通過(guò)判斷SIM300接收的指令控制相應(yīng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，并將運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以短信的方式回執(zhí)指揮中心，流程圖如圖3所示.

圖3　流程圖

5結(jié)束語(yǔ)

WIFI即無(wú)線保真技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入的主流標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)的井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是基于WIFI無(wú)線信號(hào)，在井下搭建無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)并依托目前廣泛使用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，在很大程度上避免了有線通信的方式，是對(duì)現(xiàn)有井下以太環(huán)網(wǎng)光纖通信的有力補(bǔ)充，可以防止因物理線路斷開(kāi)而導(dǎo)致的通信癱瘓，有助于進(jìn)一步降低事故的發(fā)生率.

參考文獻(xiàn)

[1]王月茹.光纖通信及其在煤炭企業(yè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽,2014,30:396-397.

[2]王桃.基于WIFI的煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2013.

[3]楊洪騫.井下無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法研究[D].青島:山東科技大學(xué),2012.

[4]IEEE 802.11a-1999(8802-11:1999/Amd 1:2000(E).Wireless LAN Medium Access Control(MAC) andPhysical Layer (PHY)specifications-Amendment 1:High-speed Physical Layer in the 5 GHz band.

[5]李媛.基于WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下膠輪車(chē)交通控制系統(tǒng)[D].山西:太原理工大學(xué),2013.

[6]侯振堂,梁博,張建,張強(qiáng),鄭志輝.WIFI技術(shù)與傳統(tǒng)礦井無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比[J].科技信息,2012(3).

[7]張立學(xué).基于WiFi的車(chē)載信息服務(wù)器研究與設(shè)計(jì)[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008.

[8]PERKINS C E, ROYER B,DAS S. Ad Hoc On-Demand Distance Vector ( AODV ) Routing[D].RFC3561, 2003(7):4-11.

[9]孫利民,李建中,陳渝,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社出版社,2005:3.

[10]周樺,張鳳登.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)的選型與搭建[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007(4),163-164.

[責(zé)任編輯：閆昕]