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【摘要】隨著嵌入式移動通信技術(shù)的高速發(fā)展，針對相關(guān)的具體應(yīng)用場景，設(shè)計出了低功耗、數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對礦山環(huán)境的諸多特點，通過利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出三維礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案，對建設(shè)三維數(shù)字化礦山具有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò);協(xié)作感知;系統(tǒng)設(shè)計

1引言

煤炭開采工業(yè)一直是我國重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位十分重要，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和感知礦山理念的不斷深化，煤礦開采變得更加機(jī)械化和智能化，而且由于礦山井下巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，生產(chǎn)工作環(huán)境惡劣，瓦斯突出、煤塵、水災(zāi)等安全隱患問題不容忽視，其中瓦斯爆炸造成的危害范圍極廣，影響深遠(yuǎn)。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦井下事故的發(fā)生主要是由瓦斯引起的，其造成的傷亡占到重特大事故傷亡人數(shù)的九成左右，因此對于礦山環(huán)境監(jiān)測始終是不容忽視的問題，

2系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計主要有三層結(jié)構(gòu)：環(huán)境感知層、無線數(shù)據(jù)傳輸層和上位機(jī)管理軟件層，其中，環(huán)境感知層主要針對采集礦山空氣的粉塵、溫濕度、有害氣體（如CO、CO2等）；土壤的溫濕度、pH值、金屬離子的含量等；水環(huán)境的溫度、pH值以及氮氧含量等；通過布置相應(yīng)的ZigBee節(jié)點進(jìn)行自組網(wǎng)后，利用自發(fā)上傳或者上位機(jī)下達(dá)指令的方式，把感知數(shù)據(jù)匯聚到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再通過3G技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫，上位機(jī)的智能管理軟件系統(tǒng)通過訪問數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)煤礦環(huán)境信息的實時查詢和評價分析，另外，煤礦環(huán)境管理部門等不同使用者也可通過Internet進(jìn)行訪問。

3系統(tǒng)功能

礦山監(jiān)測區(qū)域廣，且地處野外，為了監(jiān)測空氣、土壤等空間對象的環(huán)境參數(shù)，需要在礦區(qū)布放多個傳感器節(jié)點，節(jié)點能夠自組織成網(wǎng)絡(luò)，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

3.1礦山環(huán)境基本特點

①從地理位置角度來看，礦山所處位置一般比較偏僻，海拔相對較高，監(jiān)測難度較大。②信息采集周期較長。由于監(jiān)測手段限制，傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息的獲取主要依靠人力取得，信息獲取周期較長，不利于礦山環(huán)境信息的及時更新。③信息的顯著特點：數(shù)據(jù)源豐富、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型眾多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且礦山數(shù)據(jù)具有重要的經(jīng)濟(jì)價值，大量數(shù)據(jù)如果得不到及時收集、整理、保存、分析，一旦丟失，將會造成數(shù)據(jù)信息資源及經(jīng)濟(jì)浪費。④信息相對遲緩。傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息的主要依靠相關(guān)部門將信息編輯成冊，出版發(fā)行，公眾對信息的獲取相對遲緩，不利于信息的廣泛應(yīng)用。

3.2技術(shù)需求

通過對傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息監(jiān)測的特點分析，可以知道傳統(tǒng)監(jiān)測手段存在許多不足之處，需要在無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程傳輸控制、大范圍監(jiān)測、快速信息等方面進(jìn)行改進(jìn)和彌補(bǔ)。由于ZigBee無線傳感器技術(shù)具有多節(jié)點、低功耗、低成本的特點，能夠適應(yīng)復(fù)雜地形的信息監(jiān)測，滿足礦山環(huán)境監(jiān)測的野外工作性質(zhì)需要。智能傳感器具有高敏感性、高精度、多類型等特點，監(jiān)測終端節(jié)點通過外接不同類型的傳感器，以實現(xiàn)不同對象的信息參數(shù)采集。基于3G的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有實時性、遠(yuǎn)程操控的特點，能夠及時地獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)、控制采集設(shè)備，滿足礦山環(huán)境監(jiān)測的實時性需求。GIS技術(shù)以空間數(shù)據(jù)為操作對象，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山信息的三維可視化顯示?；贑/S模式的工作方式，服務(wù)器端完成信息數(shù)據(jù)的存儲管理功能，客戶端完成數(shù)據(jù)處理、表示及用戶接口功能，用戶通過客戶端向服務(wù)器端提交請求，由服務(wù)器端提供服務(wù)并響應(yīng)用戶請求，實現(xiàn)礦山環(huán)境信息的查詢、統(tǒng)計分析等功能，用戶訪問便捷、安全性高，使得公眾能夠及時有效地獲取監(jiān)測信息，滿足礦山環(huán)境監(jiān)測信息的時效性需求。

4硬件架構(gòu)

4.1無線通信模塊

本系統(tǒng)無線通信模塊的微處理器芯片選用了CC2530，配套無線通信芯片為CC2591。CC2591具有2.4GHz低功耗RF射頻收發(fā)器，是德州儀器公司生產(chǎn)的核心系統(tǒng)芯片產(chǎn)品之一。主要功能包括射頻匹配、射頻轉(zhuǎn)換，能夠和CC2530進(jìn)行無縫平衡轉(zhuǎn)換，是一款高性能低成本的RF前端放大器芯片。其中，功率放大器模塊能夠?qū)o線射頻功率提高至+22dBm,低噪聲放大器模塊可以將接收機(jī)的靈敏度提高+6dB,保證無線通信覆蓋范圍，此外，CC2591內(nèi)部集成了RF匹配網(wǎng)絡(luò)，所以在RF輸入輸出部分不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)，適用于所有2.4GHz無線系統(tǒng)。CC2591從天線接收到射頻信號時，經(jīng)過邏輯選通后進(jìn)入LNA，過濾后的信號通過與CC2530連接的引腳將收到的信號傳輸存入寄存器CC2591，在發(fā)送射頻信號時，經(jīng)過邏輯選通后進(jìn)入PA，將信號放大后通過天線發(fā)送出去。

4.2智能監(jiān)測模塊

礦山各類環(huán)境的監(jiān)測主要借助于傳感器節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器件，測量所在周邊環(huán)境中溫度、濕度、粉塵、CO2等信號。傳感器的發(fā)展歷經(jīng)了傳統(tǒng)傳感器（DumbSenor）、智能傳感器（SmartSensor）、嵌入式Web傳感器（EmbeddedWebSensor）的過程，根據(jù)應(yīng)用場景的需求不同，相應(yīng)設(shè)計的傳感器種類也不盡相同，相比較于只具有單一感知能力的傳統(tǒng)傳感器，智能傳感器不僅具有協(xié)作感知、信息交換、數(shù)據(jù)處理的能力，而且能夠根據(jù)環(huán)境的變化做出相應(yīng)的實時反饋，采用智能傳感器布置環(huán)境監(jiān)測模塊部分，不僅節(jié)省了節(jié)點的布置成本，而且提高了數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量。

4.3電源模塊設(shè)計

無線傳感器節(jié)點工作環(huán)境是野外，感知器節(jié)點應(yīng)充分考慮防潮、防雨、防雷擊、高低溫工作環(huán)境等因素。由于是野外環(huán)境，節(jié)點的供電就不便利，所以要求傳感器節(jié)點必須設(shè)計成低功耗。在礦區(qū)供電方便區(qū)域，電源可通過鋪設(shè)礦用電纜的方式布置，在環(huán)境惡劣供電不便的區(qū)域，可采取節(jié)點自身攜帶蓄電池和太陽能電池板的方式，這樣在保持網(wǎng)絡(luò)正常通信覆蓋的前提下，延長了節(jié)點的壽命和整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，降低了維護(hù)成本。本系統(tǒng)采用基于太陽能電池板和鋰電池的供電系統(tǒng)，為節(jié)點中不同的模塊提供不同的電壓電源，能夠?qū)崿F(xiàn)在有陽光的煤礦礦山野外環(huán)境中為無線感知節(jié)點永久性供電的目標(biāo)系統(tǒng)。

5軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)的設(shè)計，因為核心芯片的選擇是ZigBeeCC2530，相應(yīng)的軟件應(yīng)用開發(fā)工具選擇IARSystem7.51A。IAREmbeddedWorkbench是一套完整的集成開發(fā)環(huán)境，包括代碼編輯器、工程建立、C/C++編譯器、連接器和調(diào)試器等各類開發(fā)工具。協(xié)議棧的選取是德州儀器公司ZigBee協(xié)議棧，通過基于ZigBee通信協(xié)議，利用標(biāo)準(zhǔn)的C語言進(jìn)行相關(guān)的代碼設(shè)計，實現(xiàn)了感知層絕大部分的應(yīng)用要求，并提供了相關(guān)的接口函數(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計時，只需要根據(jù)應(yīng)用要求調(diào)用相關(guān)的接口函數(shù)并配置，然后在應(yīng)用層開發(fā)相應(yīng)的程序。目前為止，TI公司所提供的協(xié)議棧到目前為止經(jīng)歷了多個版本，根據(jù)應(yīng)用需求，我們選取官方網(wǎng)站提供的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本，在IAR開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯和相關(guān)代碼下載，根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)分為以下幾層：應(yīng)用層（APL），硬件抽象層（HAL），介質(zhì)訪問層（MAC），網(wǎng)絡(luò)層（NWK），操作系統(tǒng)抽象層（OSAL），ZigBee設(shè)備層（ZDO）?；诓僮飨到y(tǒng)的相關(guān)思想，結(jié)合相關(guān)具體的應(yīng)用案例，Z-Stack協(xié)議棧通過構(gòu)建事件輪循機(jī)制，在各層初始化時，整個系統(tǒng)將會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，當(dāng)外部事件發(fā)生時，相應(yīng)模塊將會從睡眠狀態(tài)進(jìn)入到工作模式，系統(tǒng)將會被喚醒，進(jìn)入中斷狀態(tài)處理事件，當(dāng)事件處理結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，則通過判斷事件觸發(fā)優(yōu)先級，依次處理事件。采用這種逐級出發(fā)軟件構(gòu)架可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。

6結(jié)語

本系統(tǒng)所設(shè)計的三維礦山環(huán)境監(jiān)測與系統(tǒng)，通過使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基本實現(xiàn)了大面積區(qū)域內(nèi)實時在線自動監(jiān)測和礦山周邊環(huán)境信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和存儲等環(huán)節(jié)的自動化，很好地解決了礦山環(huán)境信息監(jiān)測中存在的面積大、地形復(fù)雜等問題。

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【3】趙新卓.基于GIS的邯鄲市礦山環(huán)境信息系統(tǒng)研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué),2009.

作者:楊振洲 單位:淮北礦業(yè)集團(tuán)公司