基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统的研究

引言

当前我国煤矿行业信息化水平较低，信息技术应用不平衡。井下连采工作面由于设备较多，各设备随机独立作业，造成互相之间信息不沟通，更难以实现综合数据网络管理，从而限制了矿井自动化网络技术对该地区的辐射，这在一定程度上制约着煤矿安全生产工作。基于上述原因，本文作者设计了一个基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统，可以对井下环境参数和工况参数进行采集，并把采集到的参数实时送往井上的计算机进行显示、控制和超限报警等处理。

1 系统总体设计

煤矿安全监控系统主要是对矿井生产系统的安全监控，包括对矿井空气中有害或危险成分(如甲烷、一氧化碳等)的监测，矿井空气物理状态(如风速、负压、温度等)的监测，以及通风设备运行状态(如设备开停等)的监测，并且在紧急情况下能够使煤矿井下的一些电器设备断电，停止运转。

本系统分为井上和井下两部分。井下部分主要是利用传感器对矿井内的温湿度和瓦斯体积分数信息采集，然后通过路由的方式经过各个节点传送到基站;井上部分主要负责接收从基站传输过来的数据，通过各监测子系统进行处理、分析，以曲线、图形和报表等形式显示数据，并支持各种查询统计功能。系统整体结构如图1所示。

　　图1 系统结构图

2 无线传感器网络设计

本系统采用基于IEEE802.15.4标准的ZigBee技术组建无线网络。ZigBee是一种短距离、低功耗、低成本、高容量、高可靠性的无线网络技术，其工作频段为2.405～2.480 GHZ，采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250 KB/S，无线网络数传模块节点容量最多可达到65000个，每一个数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展，非常适合煤矿井下信息的采集。本网络节点以自组织形式构成网状拓扑结构，每个节点都可以自主采集数据，数据通过单跳方式或多跳中继方式送到汇聚节点。

2.1无线传感器网络节点的体系结构

无线传感器网络节点是网络的基本单元，负责数据的采集和传送，其体系结构由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理模块(微处理器、存储器)、无线通信模块(无线收发器)和电源模块(电池、DC/DC能量转换器)四部分组成，如图2所示。

　　图2 无线传感器网络节点体系结构

2.2传感器节点的设计

在数据处理模块中，微处理器是传感器节点的核心部件，负责处理数据并协调整个系统。为了使系统具有高性能、低功耗、多型号接口等特点，本次设计最终采用ATME乙公司生产的的8位单片机ATmegal28L作为微处理器单元。ATmegal28L先进的RISC结构使其具有较高的计算性能HJ，不但具有UART、SPI、HC等通用接口，而且还具备多通道的模数转换器，同时，它可用的开源开发软件工具成熟且传感器节点操作系统TinyOS对其支持较好。

虽然ATmegal 28L微处理器自带了4KB的EEPROM数据存储区域，但是对于传感器节点来说，拥有一个相对容量更多的、永久的数据存储区域是十分必要的，以便远程节点代码的自动更新、节点配置信息的保存等对更多存储空间的需要。为此，传感器节点的设计中使用了额外的一片512K的AT45DB041非易失性FLASH作为外部数据存储器。

在无线通信模块中，考虑到无线收发器的数据传输速率、接收与发送功率、休眠的能耗、启动稳定时问和信号调制方式等方面，最终采用了Chipcon公司的CC2420射频芯片。CC2420射频芯片采用SmartRF技术，以0.18urn的CMOS工艺制成，只需极少外部元器件。性能稳定且功耗极低。由于TinyOS已包含CC2420驱动支持，因此能够更加方便地与微处理器相连。

在数据采集模块中，温湿度传感器采用SHTl1芯片，可燃气传感器采用KGS一20。SHTI 1是sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高精度、抗干扰能力强的数字温湿度传感器芯片。该芯片通过两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号。KGS-20型可燃气传感器是以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度榆测的一种半导体型气体传感器，它的基本特征是极高灵敏度和极快的响应速度且功耗低，非常适宜对井下可燃气体秘分数的检测。

在本系统中，为了实现基站与主机之间的通信，设计了一个串口通信模块。基站汇总各个节点的数据，然后通过一个RS232串行接口传送给主机，主机再对这些数据进行处理。

3 煤矿监控管理软件设计

井上监控管理软件包括八大子系统，分别为:系统管理、安全监测系统、束管监测系统、通风监测系