基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

巢湖學院機械與電子工程學院 李巖巖 汪 新 任玲芝

基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

巢湖學院機械與電子工程學院 李巖巖 汪 新 任玲芝

本文給出了一個經(jīng)濟的、靈活的關(guān)于地下礦山工人安全的解決方案。通過無線通信技術(shù)Zigbee，將基于傳感器的MEMS模塊應(yīng)用于地下環(huán)境的監(jiān)測與測量中，使整個系統(tǒng)更可靠，更容易控制，更精確。其中，利用單片機收集數(shù)據(jù)，判斷出危險地域，并通過警報以及語音系統(tǒng)通知其中的礦工。通過帶有麥克風和揚聲器語音系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并與地面控制中心進行有效的無線通信。實際運行表明，該系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，能有效的避免更多潛在危險事故的發(fā)生。

無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；ZigBee

1.引言

工業(yè)安全是行業(yè)的主要內(nèi)容之一， 特別在礦業(yè)中，保證礦業(yè)安全生產(chǎn)非常重要。為避免不希望發(fā)生的災難事故，所有礦業(yè)都會進行一些基本的防范與安全措施。為了避免財產(chǎn)的損失和人身的傷害，保護系統(tǒng)以及可靠的通信系統(tǒng)在地下礦道里是非常必要的。因此，必須在礦井中移動的工人與固定的基站之間建立可靠的通信以提高煤礦安全性和生產(chǎn)力。由于礦井中的特殊環(huán)境，有線的通信手段不是非常有效，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的可靠性和長壽命在惡劣的開采環(huán)境一直是個問題。此外，有線通信網(wǎng)絡(luò)在礦井中的安裝成本和維護成本也非常高，有線通信系統(tǒng)在滑坡或由于其他原因造成損壞之后，在礦井中重新安裝的是非常困難的。為了準確檢測溫度，壓力，可燃及有毒氣體，及時追蹤到地下礦工和礦車，需要改善礦井監(jiān)控系統(tǒng)，這對保證安全生產(chǎn)和煤礦災難時的救援具有重大的意義[1]。

論文[2]提出煤礦鏈路型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由三個傳感器節(jié)點組成：傳感節(jié)點，群集的頭節(jié)點以及連接兩者的基站，通過這些節(jié)點系統(tǒng)就可以定期監(jiān)測地下礦道的環(huán)境以及定位礦工。論文[3]提出基于多傳感器信息融合的新決策方法，用于預測煤礦瓦斯爆發(fā)。多傳感器信息融合方法中應(yīng)用了兩個技術(shù)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)融合理論，而改進的模糊集的組合規(guī)則被應(yīng)用于決策融合。但是，這些通信方法中的特定技術(shù)都缺乏在地下礦山的實際應(yīng)用。

為了成功傳輸無線數(shù)據(jù)，在這個系統(tǒng)中我們使用 ZigBee標準。ZigBee規(guī)范因為其功耗降低開發(fā)成本低，被許多制造商結(jié)合在他們的設(shè)備中。在本文中，基于Zigbee的數(shù)據(jù)融合技術(shù)被使用于無線傳輸和接收數(shù)據(jù)。

2.煤礦無線監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

煤礦無線監(jiān)控系統(tǒng)可以被分為兩部分。首先是裝配于煤礦工人身體上的硬件電路，它最好配備于工人的安全帽中。這個電路由一些基于傳感器技術(shù)的MEMS模塊組成，可快速測量像環(huán)境溫度、濕度和甲烷、一氧化碳這類有害氣體濃度這樣的地下參數(shù)。單片機通過傳感器采集地下環(huán)境參數(shù)，一旦超過在單片機中預先編入的安全數(shù)值[4]，單片機控制與之連接的揚聲器發(fā)出報警，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。同時這些環(huán)境參數(shù)信息將以緊急通知和警報的形式通過zigbee發(fā)送給地面控制終端。單片機數(shù)據(jù)傳輸就是通過兩個單獨的模塊即 ZigBee傳輸模塊到數(shù)據(jù)收集器/接收器模塊。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)中使用的單片機是PIC16F877A，工作頻率20MHz、5個輸入輸出端口、8個A/D輸入通道和368 bytes 數(shù)據(jù)存儲器。如圖1所示，數(shù)據(jù)接收終端 Zigbee_RX和數(shù)據(jù)傳輸終端ZigBee_TX 交叉連接到對應(yīng)的單片機發(fā)射機和接收機終端發(fā)出數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

ZigBee模塊中使用的接口板，符合802.15.4標準。該模塊低成本，低功耗、可靠的20針設(shè)備并帶有2.4GHZ工作頻帶。它可在30-100米的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸率達到250000bps。ZigBee模塊有五種運行模式，在沒有收到或傳輸數(shù)據(jù)時，RF模塊運行在空閑模式下，處于其他不同條件時，RF模塊將轉(zhuǎn)移到其他操作模式下。在傳輸模式下接收的串行數(shù)據(jù)直接存儲在數(shù)據(jù)輸入DI緩沖區(qū)中，直到它可以被處理的。當DI緩沖區(qū)達到17字節(jié)即將溢出時，CTS（高位）將重復向主機設(shè)備發(fā)送信號以阻止的繼續(xù)輸入數(shù)據(jù)，如圖2所示。當CTS不斷發(fā)出信號時，DI緩沖區(qū)還有34字節(jié)的內(nèi)存可用。選擇傳輸較少的數(shù)據(jù)或選擇低波特率為避免這種溢出的狀態(tài)。在接收模式下，有效的RF數(shù)據(jù)時通過天線接收的。當接收到RF數(shù)據(jù)時，輸入到數(shù)據(jù)輸出DO 緩沖區(qū)并發(fā)送到主機設(shè)備的串行端口中。一旦DO緩沖區(qū)溢出，任何其他傳入的RF數(shù)據(jù)都會丟失。若RTS（硬件流量控制）可控制流量，一旦RTS發(fā)出阻止信號數(shù)據(jù)將不會被發(fā)送出到DO緩沖器。當RF模塊不使用時，睡眠模式啟用，即進入低功率消耗時段，這個時間段ST為預先定義，在這個時間段內(nèi)既不傳輸數(shù)據(jù)也不接收數(shù)據(jù)。若想修改或讀取RF模塊的參數(shù)，模塊必須首先進入命令模式，在這種模式下，輸入的字符會被翻譯為命令。

圖2　ZigBee模塊連接

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要特征是易實施、低功耗、低成本[5]。ZigBee基于IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層，IEEE 802.15.4定義了兩個種設(shè)備：完整功能的設(shè)備（FFD）和精減功能設(shè)備(RFD)。FFD有協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的功能，因此有所有其他設(shè)備的訪問權(quán)限。RFD僅限于一個星形拓撲配置，不能夠作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員工作，所以它沒有全部協(xié)議服務(wù)權(quán)限。FFD和RFD設(shè)備能在三個不同 ZigBee標準方式下工作，即ZigBee協(xié)調(diào)員（ZC）、ZigBee 路由器（ZR）或ZigBee終端設(shè)備（ZED）。網(wǎng)絡(luò)層支持三個拓撲：星形，樹形和網(wǎng)狀如圖3中所示。星型拓撲包括協(xié)調(diào)節(jié)點和一個或多個與ZC通信的FFD或RFD。

圖3　Zigbee的不同拓撲結(jié)構(gòu)

在樹形拓撲中，在ZC和ZR的設(shè)備中能增加網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的范圍。在網(wǎng)狀拓撲中，F(xiàn)FD可以直接分發(fā)信息給其他FFD，進入網(wǎng)絡(luò)后，每個設(shè)備都能接收到ZR或ZC給出的地址。

圖4　發(fā)射機和接收機之間的范圍測試

4.數(shù)據(jù)管理軟件

數(shù)據(jù)管理軟件的開發(fā)是為了監(jiān)測到可靠的遠程數(shù)據(jù)與警報信號，并得到一個有效管理的交互界面。這個軟件使用Visual Basic進行編程，這有助于形成圖形用戶界面。它可以顯示條形圖、表格和圖形中的參數(shù)。此外，它也將生成并參數(shù)的打印報告。地面控制PC接收到的不同環(huán)境參數(shù)也以不同的形式顯示在計算機屏幕中，參數(shù)包括溫度，濕度、甲烷和一氧化碳的氣體濃度等等。計算機把參數(shù)存儲在硬盤中，地面工作人員可以選擇任何參數(shù)錄制和回放。當發(fā)現(xiàn)收到的數(shù)據(jù)有超過事先設(shè)定的參數(shù)限制時，單片機就會控制報警器及時響起，地面控制中心的計算機就會給出警報處的位置圖像。地面工作人員根據(jù)所收到的警報做出決策，并建立與地下工人語音通信，向他們發(fā)出警報，并根據(jù)連續(xù)監(jiān)測情況和地下的工人語音通訊中獲取的信息，采取相應(yīng)控制和安全措施。圖4是發(fā)射機和接收機之間的范圍測試結(jié)果，圖5是ZigBee模塊實物圖。

圖5　帶有天線的ZigBee模塊用作發(fā)射機

5.結(jié)論

本文設(shè)計監(jiān)視和安全系統(tǒng)可有效的取代傳統(tǒng)的煤礦安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)可覆蓋地下礦井中更大更深的區(qū)域，從而有效控制和避免更多潛在的危險。該系統(tǒng)結(jié)合了低功耗、低成本的，高效無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)Zigbee，以及基于小型傳感器的MEMS模塊，傳感器和zigbee模塊可以安裝在煤礦工人的頭盔上。工人及地面工作人員之間合理的監(jiān)測和對話的實現(xiàn)對突發(fā)事件采取更迅速，更恰當?shù)男袆悠鸬搅撕艽蟮膸椭Ｔ谖磥?，該系統(tǒng)還可以輕松地擴展上ZigBee無線圖像傳輸設(shè)備；它將極大的改善地下環(huán)境的可測性以及礦工的位置精確性。

[1]Y.P.Zhang, G.X.Zheng,“Radio Propagation at 900 MHz in Underground Coal Mines”, IEEE transactions on antennas and propaga tion,2001,vol.49(5):752-62.

[2]N.Chaamwe,W.Liu,H.Jiang,“Seismic Monitoring in Underground Mines: A case of Mufulira Mine in Zambia Using wireless Sensor Networks for Seismic Monitoring”, Proc. IEEE international Conference on Electronics and Information Engineering, 2010:310-414.

[3]X.Ma,Y.Miao,Z.Zhao,H.Zhang,J.Zhang,“A novel approach to Coal and Gas Outburst Prediction Based on Multi-sensor Information Fusion”, Proc. IEEE international conference on automation and logistics,2008:1613-1813.

[4]于海斌,曾鵬,梁韡.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].科學出版社,2006:1-10.

[5]李慧宗,葛兵,王向前.ZigBee技術(shù)在礦井安全監(jiān)控技術(shù)中應(yīng)用[J].煤礦機械,2011.5:206-207.

巢湖學院校級自然科學研究項目（XLY-201506）；巢湖學院校級質(zhì)量工程項目（ch15kcjgxm08）；安徽省高等學校省級質(zhì)量工程項目（2015jyxm322）；巢湖學院校級質(zhì)量工程項目（ch14yykc04）。

李巖巖（1986－），女，安徽阜陽人，巢湖學院教師，主要從事自動控制技術(shù)的研究。