基于WSN的井下溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究

馬曉燕

1 系統(tǒng)功能

WSN 即無線傳感器網(wǎng)絡，是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個自組織網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡可以通過遠程控制系統(tǒng)對其進行命令下達和信息收集。系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點均以無線方式通信，避免了有線通信的布線冗繁，適合應用在人工操作不便或具有一定危險性的工作區(qū)域。

煤礦井下溫度監(jiān)測系統(tǒng)依靠專用傳感器對監(jiān)測區(qū)域的溫度進行采集，通過ZigBee 網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)向集中器的匯集。集中器由ZigBee 模塊和RS485 總線組成，RS485 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)向以太網(wǎng)匯集并遠程傳輸?shù)竭_數(shù)據(jù)中心。整個網(wǎng)絡采用超低功耗設計，有效工作時間最長能達到6 個月。在整個無線通信網(wǎng)絡中，各節(jié)點使用Mesh 網(wǎng)絡架構(gòu)。Mesh 網(wǎng)絡最大的優(yōu)點是若某一個節(jié)點出現(xiàn)故障，其他節(jié)點依然能夠正常通信，確保系統(tǒng)通信穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由3 大部分組成，即傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點和中心網(wǎng)關。

傳感器節(jié)點集成了無線通信模塊ATZGB-780F1和TMP122 溫度傳感器，超低功耗設計，由干電池或鋰電池供電。ATZGB-780F1 所需求的物理空間小，有利于降低功耗，大大延長了電池使用壽命；并且開發(fā)費用較低，模塊內(nèi)部資源開放性很高，也有利于井下大面積使用。ATZGB-780F1 模塊中射頻芯片采用的是AT86RF212。該芯片的接收器通路以中低頻結(jié)構(gòu)為基礎，發(fā)送與接收信號處理通路均經(jīng)過高度集成與優(yōu)化，以實現(xiàn)低功耗的目的。TMP122 溫度傳感器適于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，其特點主要表現(xiàn)在測溫范圍在-40℃～150℃之間，在0℃～65℃范圍內(nèi)測量精度能達到0.5℃，即使在整個測溫區(qū)間內(nèi)的測量精度也保持在1℃以內(nèi)。傳感器節(jié)點實物見圖1。

圖1 ATZGB-780F1 傳感器節(jié)點實物

數(shù)據(jù)匯集節(jié)點集成了ATZGB-780F1 模塊和RS485 通信接口，低功耗設計，采用鎳氫電池供電。

中心網(wǎng)關采用通用計算機，安裝系統(tǒng)管理軟件，獲取傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，并進行分析和存儲。

3 工作流程

整個監(jiān)測網(wǎng)絡由多個區(qū)段網(wǎng)絡組成，各區(qū)段網(wǎng)絡通過RS485 總線與數(shù)據(jù)中心進行連接。各區(qū)段的傳感器網(wǎng)絡以ZigBee 協(xié)議方式連接。

中心網(wǎng)關上電后，通過RS485 總線向數(shù)據(jù)中心獲取時間信息，等待傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)匯集節(jié)點入網(wǎng)，整個網(wǎng)絡開始初始化。網(wǎng)絡初始化完成后，所有節(jié)點進入嚴格的時鐘同步，集體休眠。定時時間到后，傳感器節(jié)點從休眠狀態(tài)進入正常工作狀態(tài)，讀取傳感器采集的溫度信息后向網(wǎng)關匯集，數(shù)據(jù)報完后，傳感器節(jié)點休眠，網(wǎng)關通過RS485 向數(shù)據(jù)中心上傳數(shù)據(jù)，完成后進入休眠。

對于傳感器節(jié)點內(nèi)部來說，節(jié)點上電后，注冊入ZigBee 網(wǎng)獲取相關信息后進入休眠狀態(tài)。定時時間到，ATZGB-780F1 模塊CPU 被喚醒，CPU 喚醒傳感器，等待傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)收集起來并存儲，發(fā)送命令使傳感器進入休眠，同時將傳感器數(shù)據(jù)通過ZigBee 網(wǎng)絡上傳到主節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸完成，節(jié)點再次進入休眠，等待下一次傳輸周期。

數(shù)據(jù)中心向各區(qū)段網(wǎng)絡發(fā)送時間參數(shù)取值范圍為1 min～65 534 min，各傳感器節(jié)點以該配置為周期，向數(shù)據(jù)中心上報傳感器所采集的溫度信息值。

4 現(xiàn)場應用

將WSN 網(wǎng)絡應用于煤礦之中，其中一個重要目的是為了解決在井下某些復雜環(huán)境下，實現(xiàn)自動監(jiān)測功能，減少人工操作。WSN 網(wǎng)絡在煤礦安全生產(chǎn)中，采空區(qū)溫度自動監(jiān)測是一重要應用。

在開始現(xiàn)場試驗前，各井下設備均已獲得煤安認證。井下工作的各節(jié)點穩(wěn)定性已測試，每個節(jié)點電池在2 h 發(fā)送1 次數(shù)據(jù)的監(jiān)測頻率下能夠工作180 d。現(xiàn)場試驗于同煤國電集團同忻礦順利完成，傳感器節(jié)點采用預埋的方式，具體布置方式和WSN 網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

當埋入采空區(qū)后，通過多跳無線傳輸，將各節(jié)點所測溫度信息匯總于數(shù)據(jù)匯集節(jié)點，數(shù)據(jù)匯集節(jié)點隨工作面的推進而不斷移動。隨著監(jiān)測區(qū)域的擴大，不斷有新的傳感器節(jié)點加入到監(jiān)測網(wǎng)絡之中。每當有新的節(jié)點加入，中心網(wǎng)關會自動組網(wǎng)，建立新的監(jiān)測網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的溫度信息最終通過所連接的同忻礦以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)上傳至地面監(jiān)測中心。

圖2 傳感器節(jié)點布置方式及WSN 網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)成

由于條件所限，在為期20 d 的現(xiàn)場試驗中，傳感器節(jié)點置于3 mm 厚的鑄鐵殼內(nèi)，因此在煤層垮落時得到了較好的保護。埋入節(jié)點工作正常，按照時間要求發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，組網(wǎng)效果良好。節(jié)點之間無線通信距離保持在5 m 左右。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)界面見第17頁圖3。

在20 d 的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，各節(jié)點日監(jiān)測溫度去均值得到圖4 所示的溫度曲線（見第17 頁圖4）。由數(shù)據(jù)曲線可看到，采空區(qū)溫度趨于平穩(wěn)，溫度值始終保持在警戒值以下，無火源征兆，達到了對采空區(qū)溫度實時監(jiān)測的目的。

5 結(jié)束語

將無線通信技術(shù)手段應用于礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控中，不僅有利于提高監(jiān)測的準確性、時效性，而且對于井下一些人員出入不便的區(qū)域也可實現(xiàn)自動化監(jiān)測，在一定程度上減少了監(jiān)測死角帶來的安全隱患。目前，針對煤礦的無線通信技術(shù)主要應用在井下人員無線定位、水文監(jiān)測、氣體濃度檢測及溫度自動監(jiān)測當中。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，會有越來越多的先進技術(shù)應用于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控之中，為礦井實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)給予技術(shù)支持。

圖4 同忻礦采空區(qū)溫度曲線

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