前言：本站為你精心整理了WSN的煤礦安全監(jiān)測預警體系設計范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

大量采集節(jié)點隨機部署在井下各監(jiān)測區(qū)域，以自組織方式構成簇狀網(wǎng)絡，某個節(jié)點出現(xiàn)故障也不影響網(wǎng)絡運行，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的安全性。為保證系統(tǒng)的擴展性和易操作性，整個井下監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設計，根據(jù)需要選擇不同的傳感器模塊與采集母板連接。井上監(jiān)測系統(tǒng)主要是實時采集、存儲、監(jiān)視和處理來自遠程終端設備節(jié)點的各種環(huán)境信息，并且能夠隨時設定基本閾值、超限報警閾值等參數(shù)，實現(xiàn)對井下開采環(huán)境的有效監(jiān)控和管理。

1無線傳感器網(wǎng)絡的構建

系統(tǒng)層次型網(wǎng)絡:采集節(jié)點和匯聚節(jié)點組成第一層無線網(wǎng)絡，匯聚節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點構成第二層無線網(wǎng)絡，網(wǎng)關節(jié)點和上位機構成第三層網(wǎng)絡。將每一個區(qū)域的節(jié)點劃分為1個簇，作為網(wǎng)絡的基本單元，采集節(jié)點負責采集該區(qū)域內的各個環(huán)境變量;區(qū)域出口放置匯聚節(jié)點，其主要負責簇網(wǎng)絡的管理、采集節(jié)點采集信息的匯聚與轉發(fā)。在升井口放置協(xié)調器節(jié)點(網(wǎng)關節(jié)點)，通過網(wǎng)線將其和井外上位機相連，發(fā)送網(wǎng)絡控制命令，匯聚各個匯聚節(jié)點轉發(fā)的信息，同時，S3C44B0X對信息處理后通過網(wǎng)口將信息傳輸給井外的上位機。

2系統(tǒng)的硬件設計

傳感器節(jié)點由低功耗無線單片機MC13213、信息采集模塊、無線網(wǎng)關、電源管理模塊等部分組成，系統(tǒng)節(jié)點集成度高、功耗低、體積小、抗干擾能力強、靈敏度高，發(fā)射功率為4dBm，通信距離為30～100m［5］。

2．1采集節(jié)點硬件設計

系統(tǒng)無線單片機采用飛思卡爾公司推出的MC13213，其內部集成了HCS08MCU和符合ZigBee技術的2．4GHz無線收發(fā)器，采用SIP系統(tǒng)單封裝，內含60kBFLASH及4kBRAM，并自帶嵌入式閃存，工作電壓為2．0～3．4V，集成8位外部中斷、8通道10位模數(shù)轉換、低壓檢測LVD和看門狗定時器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度(－94dBm)和強大的抗干擾性能。另外，集成收發(fā)/接收(Tx/Rx)開關，外圍電路簡單，可編程引腳豐富，并包含CAN、UART、I2C等常用接口［5］。無線傳感器網(wǎng)絡在應用中存在的最大問題就是能量問題，一旦節(jié)點的能量耗盡，節(jié)點就將退出無線傳感器網(wǎng)絡，影響整個系統(tǒng)的正常運行。要保證在煤礦井下惡劣環(huán)境下傳感器能夠正常工作，在傳感器的選型上，綜合考慮了成本、精度和穩(wěn)定性等因素，采用一氧化碳傳感器NAP－505、瓦斯傳感器KGS－20、氧氣傳感器O2－A2和溫濕度傳感器SHT10。

2．2電源管理模塊

電源管理模塊為其他模塊提供能量，是保證系統(tǒng)正常運行的前提條件。系統(tǒng)中采用了3種節(jié)點，為了滿足其不同供電需求，設計了2種供電方式:外部直流供電方式和內部電池直流供電方式。由于傳感器采集節(jié)點是移動的，可以隨機放在井下的任何位置采集環(huán)境信息，因此可采用電池供電;由于匯聚節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點是固定在巷道內不需要移動，正常情況下用外部直流電源供電，當發(fā)生意外情況導致外部直流電源不能夠供電時，電源管理模塊會自動切換到電池供電方式，以保證節(jié)點和網(wǎng)絡的正常運行。

2．3網(wǎng)關節(jié)點設計

網(wǎng)關節(jié)點處理器模塊采用Samsung公司生產的S3C44B0XARM微處理器，其片內集成了ARM7TDMI核，芯片內部集成了LCD控制器、SDRAM控制器、2個串行接口控制器、PWM控制器、I2C控制器、IIS控制器、實時時鐘、AD轉換等豐富的外圍控制模塊，提供Thumb16位壓縮指令集和JTAG軟件調試方式，有4種電源管理模式，支持省電模式，完全能滿足系統(tǒng)要求［6－7］。

3系統(tǒng)的軟件設計

3．1通信傳輸協(xié)議

在無線傳輸過程中，由于受傳輸距離、噪聲、現(xiàn)場狀況等因素的影響，采集節(jié)點和匯聚節(jié)點之間、各匯聚節(jié)點之間、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點之間通信常常會發(fā)生無法預測的錯誤，影響數(shù)據(jù)的傳遞。要保證系統(tǒng)能夠可靠地通信，通信傳輸協(xié)議的制訂變得尤為重要。為了減少能量的損耗，提取有效數(shù)據(jù)，通過測試和試驗發(fā)現(xiàn)，0XAA后跟0X55在噪聲中不易發(fā)生能量損耗，所以協(xié)議規(guī)定只接收以0XAA+0X55開頭的數(shù)據(jù)包［8］。采集節(jié)點到監(jiān)控中心的幀有2種:數(shù)據(jù)幀和狀態(tài)幀。監(jiān)控中心到采集節(jié)點的幀有2種:查詢與控制工作狀態(tài)命令幀和應答確認幀。

3．2節(jié)點程序設計

3．2．1節(jié)點工作方式為了保證系統(tǒng)監(jiān)測的實時性，一方面需要網(wǎng)絡對煤礦井下環(huán)境進行長期監(jiān)測，按照設定的周期將采集到的信息送到網(wǎng)關節(jié)點，同時，系統(tǒng)必須考慮無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能問題，由于無線通信能耗是整個無線傳感器網(wǎng)絡能耗的主要部分，因此著重考慮無線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理。另一方面，在有緊急事件發(fā)生(如CH4濃度超限、溫度超限或者CO濃度超限)的情況下，網(wǎng)關節(jié)點需要通過采集節(jié)點在盡可能短的時間內得到緊急信息，及時將井下環(huán)境信息發(fā)送到上位機。基于上述原因，設計了煤礦井下環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的2種工作方式:定期巡檢工作方式和喚醒工作方式，分別實現(xiàn)井下各個監(jiān)測信息的周期性監(jiān)測和緊急事件監(jiān)測。在定期巡檢工作方式下，網(wǎng)絡的各節(jié)點完成部署并形成網(wǎng)絡之后，先由網(wǎng)關節(jié)點廣播1個睡眠命令，通過各匯聚節(jié)點中繼轉發(fā)至各采集節(jié)點，采集節(jié)點收到之后轉入睡眠狀態(tài);經過1個睡眠周期后各端節(jié)點醒來，等待匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)收集命令;當匯聚節(jié)點廣播數(shù)據(jù)收集命令后，不同的傳感器采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的環(huán)境信息傳送至匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關節(jié)點，這樣便完成了1個工作周期。網(wǎng)關節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)處理完畢后會再次廣播睡眠命令，以控制各簇節(jié)點再次進入睡眠狀態(tài)［7］。在喚醒工作方式下，無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關節(jié)點和匯聚節(jié)點一直處于偵聽狀態(tài)，而采集節(jié)點絕大部分時間處于睡眠狀態(tài)，但傳感器將不間斷地監(jiān)測環(huán)境信息。當傳感器監(jiān)測到某一數(shù)據(jù)超限時，例如CH4濃度超過設定的閾值，傳感器就以中斷的方式喚醒采集節(jié)點，然后采集節(jié)點立即將采集的數(shù)據(jù)傳向匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再經過網(wǎng)關節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄媳O(jiān)測系統(tǒng)，供相關工作人員進一步處理［7］。

3．2．2數(shù)據(jù)傳輸過程根據(jù)所定義的傳輸協(xié)議，首先，采集節(jié)點采集環(huán)境信息，包括空氣的溫濕度及CO、O2和CH4濃度，按照自定義的數(shù)據(jù)格式形成信息數(shù)據(jù)包。采集節(jié)點發(fā)送該數(shù)據(jù)包，匯聚節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，修改其中的下一目的節(jié)點的ID，之后再轉發(fā)數(shù)據(jù)包，直至到達網(wǎng)關節(jié)點，完成環(huán)境數(shù)據(jù)信息的無線傳輸和網(wǎng)關節(jié)點對信息的匯聚。

4井上監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)與監(jiān)測試驗

4．1井上監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)井上監(jiān)控中心以MicrosoftVisualStudio2008作為開發(fā)平臺，采用C#語言對系統(tǒng)進行開發(fā)，使用MicrosoftSQLServer2005數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行管理，系統(tǒng)要同時完成接收數(shù)據(jù)、

存儲數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等多項任務，通過調用System．Threading命名空間里的Thread類來實現(xiàn)多線程。數(shù)據(jù)的實時動態(tài)顯示是通過第三方Chart控件實現(xiàn)的。井上監(jiān)控中心根據(jù)功能劃分，主要包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、預警四大功能模塊。1)數(shù)據(jù)接收模塊。井上監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)線和井下的網(wǎng)關相連接，計算機只需要實時監(jiān)聽本地IP地址的固定端口，基于socket編程技術，根據(jù)自定義的數(shù)據(jù)包格式，接收并提取采集的井下環(huán)境信息。2)數(shù)據(jù)存儲模塊。當計算機監(jiān)聽并接收到數(shù)據(jù)后，在對數(shù)據(jù)處理之前，需要先對數(shù)據(jù)包進行解析，把數(shù)據(jù)按采集時間和種類進行分類，分別存儲在數(shù)據(jù)庫中對應的數(shù)據(jù)表中。3)數(shù)據(jù)顯示模塊。為了更直觀地觀測到井下環(huán)境數(shù)據(jù)的變化情況，從數(shù)據(jù)庫中讀取對應的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，通過第三方Chart控件，將數(shù)據(jù)動態(tài)實時地顯示在系統(tǒng)主頁面上。4)預警功能模塊。井下的工作環(huán)境很重要，對超出閾值的節(jié)點，對應的節(jié)點類型和節(jié)點號顯示在監(jiān)測系統(tǒng)超出閾值的節(jié)點列表中，以便井上工作人員及時通知井下人員撤離不安全區(qū)域。

4．2監(jiān)測試驗

在模擬礦井中進行現(xiàn)場試驗，用不同的傳感器節(jié)點和母板相連，在試驗中使用了一氧化碳傳感器節(jié)點、瓦斯傳感器節(jié)點、溫濕度傳感器節(jié)點、氧氣濃度傳感器節(jié)點。同時這些節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點構成監(jiān)測網(wǎng)絡，負責對井下監(jiān)測區(qū)域環(huán)境信息的實時采集，并傳輸?shù)骄獾谋O(jiān)測中心。由井上監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行存儲、處理及實時顯示。試驗過程中，使用傳感器節(jié)點30個，匯聚節(jié)點5個，網(wǎng)關節(jié)點1個。各種環(huán)境參數(shù)的閾值是通過井上監(jiān)控中心系統(tǒng)來設置的，當監(jiān)測結果超過設定的相應最佳參數(shù)閾值時，則將所采集的參數(shù)類型和節(jié)點的編號顯示在閾值節(jié)點列表中。由于數(shù)據(jù)都存儲在后臺的數(shù)據(jù)庫中，調用時比較麻煩，為此設計系統(tǒng)時可以選擇需要的參數(shù)數(shù)據(jù)導出到Excel表中，供煤礦專家進行研究。為安全起見，在測試系統(tǒng)的性能過程中，只選取了溫濕度傳感器，在試驗過程中人為地對溫濕度傳感器進行了加熱，試驗結果表明:溫度變化能夠及時地在監(jiān)測系統(tǒng)中反映出來，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，并能實現(xiàn)對CH4、CO、O2濃度以及空氣溫濕度的實時監(jiān)測。

5結語

將無線傳感器網(wǎng)絡應用到煤炭開采環(huán)境監(jiān)測中，具有傳統(tǒng)的井下環(huán)境監(jiān)測無法比擬的優(yōu)勢?；?a href="http://www.milkcooler.cn/lunwen/mklw/mkaqlw/201307/753509.html" target="_blank">wsn的煤礦安全監(jiān)測預警系統(tǒng)是以ARM控制器為核心，以無線傳感器網(wǎng)絡和Internet技術為支撐的集監(jiān)測、顯示、通信和預警等多功能于一體的煤礦環(huán)境實時監(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分發(fā)揮了兩種網(wǎng)絡的優(yōu)點，為煤礦井下開采環(huán)境的監(jiān)測提供了一種有效的解決方案，可提高煤礦井下生產的安全性。

作者：劉銘楊智勇常超單位：重慶工程職業(yè)技術學院信息工程學院重慶大學自動化學院