新型无线网络井下安全监控系统研究

来源:用户上传      作者: 赵　凯　乔会珍

　　摘要：基于Zigbee的无线传感器的网络技术，提出了对井下监控系统在新型网络环境下应用的思考。
　　关键词：无线传感器；ZigBee监控
　　中图分类号：TU714
　　文献标识码：A
　　文章编号：1672-3198(2009)08-0281-01
　　
　　随着煤炭生产过程中矿井环境的不断变化，井下巷道将变得越发狭窄，通信线路的延伸和维护实现起来就变得复杂。在通信技术高速发展的今天，组建井下无线网络监控系统已经成为大势所趋。本文提出采用基于ZigBee技术的新型井下无线安全监控系统，就是在此背景下进行研究和开发的。
　　ZigBee(紫蜂)是一种采用成熟无线通讯技术的全球统一标准的开放的无线传感器网络。ZigBee技术具备以下主要特点：(1)低功耗和低成本，在低耗电待机模式下，2节普通5号干电池可使用6个月到2年；(2)网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备；(3)时延短，通常时延都在15～30ms之间；(4)协议简单，安全性高。基于这些技术优势，ZigBee非常适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点，电源供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。
　　
　　1　新型井下无线网络安全监控系统的结构
　　
　　井下无线通信网络安全监控系统主要包括以下四部分：(1)传感器节点负责采集瓦斯浓度、湿度和温度，并将所采集到的数据通过无线网络传输到附近的中继节点；(2)中继节点可固定在巷道内，负责将传感器采集的数据传给信息接收终端和将命令传给传感器节点。(3)基站接收终端节点：安装在主巷道内，接收固定式无线传感器网络节点的数据，并通过通信电缆将数据传输给信息收集数据库服务器。(4)监控中心使用监控软件对节点发送的数据进行存储和分析，发现异常情况即使发出警报。
　　
　　2　系统硬件设计
　　
　　无线传感器节点设备的组成主要包括供电模块、传感器模块、处理器模块和ZigBee通信模块。其中供电模块由于Zigbee网络的功耗较小，使用2节5号电池即可提供充足电量。传感器模块负责对温度、湿度、瓦斯浓度等数据进行采集。其中瓦斯浓度的检测是监控系统的核心工作，瓦斯传感器采用北京东方吉华科技有限公司生产的KGS―zO低功耗瓦斯传感器。KGS一2以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检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低功耗。KGS－20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。处理器模块选用TI公司MSP430F149处理器。该处理器是TI公司低成本、高性能的一款MCU。能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。MSP430F149也是MSP430X1XX系列中功能最强的单片机，而且MSP430F149的运行环境温度范围为－40℃～+85℃，可以适应各种恶劣的环境，完全能够胜任各个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等任务。ZigBee通信模块选用符合ZigBee技术的214GHz的射频芯片CC2430，延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个9位MCU处理器，具有128kB编程闪存和8kB的RAM存储器，还包含模拟数字转换器、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I／O引脚，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性的开发工具。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250Kb／s，可以实现多点对多点的快速组网。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。
　　
　　3　系统软件设计
　　
　　软件系统使用微软公司的Visual Studio，NET 2005作为开发工具，主要完成以下功能：显示监测的数据；数据超标时发出报警提示；实时曲线显示；历史数据查询，包括远程访问；对网络的控制，如设置数据采集间隔。
　　
　　4　总结
　　
　　本文提出了采用Zigbee技术建立煤矿监控通信系统的新方法，并对系统硬件和软件进行了详细的说明。但井下无线传感器网络节点在进行无线通信时还会受到很多因素的影响，尤其是噪声干扰和电波衰落等，影响了矿井下无线传感器网络的实际应用，这在今后的研究中要加以改进。

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