新型無線網絡井下安全監控系統研究

趙　凱　喬會珍

摘要：基于Zigbee的無線傳感器的網絡技術，提出了對井下監控系統在新型網絡環境下應用的思考。

關鍵詞：無線傳感器；ZigBee監控

中圖分類號：TU714

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)08-0281-01

隨著煤炭生產過程中礦井環境的不斷變化，井下巷道將變得越發狹窄，通信線路的延伸和維護實現起來就變得復雜。在通信技術高速發展的今天，組建井下無線網絡監控系統已經成為大勢所趨。本文提出采用基于ZigBee技術的新型井下無線安全監控系統，就是在此背景下進行研究和開發的。

ZigBee(紫蜂)是一種采用成熟無線通訊技術的全球統一標準的開放的無線傳感器網絡。ZigBee技術具備以下主要特點：(1)低功耗和低成本，在低耗電待機模式下，2節普通5號干電池可使用6個月到2年；(2)網絡容量大，每個ZigBee網絡最多可支持255個設備；(3)時延短，通常時延都在15～30ms之間；(4)協議簡單，安全性高。基于這些技術優勢，ZigBee非常適用于煤礦井下巷道多曲折、多風門等結構特點，電源供電限制嚴格、煤炭行業資金短缺等特點。

1新型井下無線網絡安全監控系統的結構

井下無線通信網絡安全監控系統主要包括以下四部分：(1)傳感器節點負責采集瓦斯濃度、濕度和溫度，并將所采集到的數據通過無線網絡傳輸到附近的中繼節點；(2)中繼節點可固定在巷道內，負責將傳感器采集的數據傳給信息接收終端和將命令傳給傳感器節點。(3)基站接收終端節點：安裝在主巷道內，接收固定式無線傳感器網絡節點的數據，并通過通信電纜將數據傳輸給信息收集數據庫服務器。(4)監控中心使用監控軟件對節點發送的數據進行存儲和分析，發現異常情況即使發出警報。

2系統硬件設計

無線傳感器節點設備的組成主要包括供電模塊、傳感器模塊、處理器模塊和ZigBee通信模塊。其中供電模塊由于Zigbee網絡的功耗較小，使用2節5號電池即可提供充足電量。傳感器模塊負責對溫度、濕度、瓦斯濃度等數據進行采集。其中瓦斯濃度的檢測是監控系統的核心工作，瓦斯傳感器采用北京東方吉華科技有限公司生產的KGS—zO低功耗瓦斯傳感器。KGS一2以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應速度且低功耗。KGS－20型可燃氣傳感器適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測，用于瓦斯報警器，可燃氣報警器，瓦斯檢測儀等。處理器模塊選用TI公司MSP430F149處理器。該處理器是TI公司低成本、高性能的一款MCU。能夠在低電壓下以超低功耗狀態工作；其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內外設；帶FLASH存儲器的單片機還可以方便高效地進行在線仿真和編程。MSP430F149也是MSP430X1XX系列中功能最強的單片機，而且MSP430F149的運行環境溫度范圍為－40℃～+85℃，可以適應各種惡劣的環境，完全能夠勝任各個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等任務。ZigBee通信模塊選用符合ZigBee技術的214GHz的射頻芯片CC2430，延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個9位MCU處理器，具有128kB編程閃存和8kB的RAM存儲器，還包含模擬數字轉換器、定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I／O引腳，具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性的開發工具。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250Kb／s，可以實現多點對多點的快速組網。它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。

3系統軟件設計

軟件系統使用微軟公司的Visual Studio，NET 2005作為開發工具，主要完成以下功能：顯示監測的數據；數據超標時發出報警提示；實時曲線顯示；歷史數據查詢，包括遠程訪問；對網絡的控制，如設置數據采集間隔。

4總結

本文提出了采用Zigbee技術建立煤礦監控通信系統的新方法，并對系統硬件和軟件進行了詳細的說明。但井下無線傳感器網絡節點在進行無線通信時還會受到很多因素的影響，尤其是噪聲干擾和電波衰落等，影響了礦井下無線傳感器網絡的實際應用，這在今后的研究中要加以改進。