基于ZigBee 與GPRS 的煤礦環境遠程監測系統設計

楊文環 孫久運 王闊音

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州221116)

我國礦山地質條件復雜、生產體系龐大、采掘環境多變，應用物聯網技術進行實時監測［1-5］，對于避免或降低礦山各類環境地質災害所造成的損失具有重要作用。無線傳感器網絡作為一種典型的物聯網技術，在礦山環境監測領域得到了廣泛的應用，涌現出一批具有較強實用價值的監測網絡［6-11］，但其中的網絡協調器節點與上位機通信通常采用USB 接口、RS232 串口等有線通信方式，傳輸距離有限。為此，在本研究所開發的煤礦環境遠程監測系統中，根據節點實際功耗，采用太陽能電池板、蓄電池及干電池相結合的供電方式，解決了節點能量受限問題，克服了傳統監測布線困難、動態性差、覆蓋范圍有限等缺點。同時結合GPRS 模塊［12-13］，僅需插入1 張SIM 卡，利用移動通信網絡可將煤礦監測數據傳輸至上位機監控中心，實現了對煤礦環境的自動、實時、低成本、遠距離監測，對于提高煤礦的信息化水平大有裨益。

1 ZigBee 無線傳感器網絡

1.1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡技術是指將傳感器技術、自動控制技術、數據網絡傳輸、儲存、處理與分析技術集成的現代信息技術，是物聯網底層網絡的一種重要技術形式［14-16］。無線傳感器網絡是以數據為中心的網絡，僅關心最終數據的獲取，并不關心數據的來源與途徑，其網絡拓撲動態性高，節點路由路徑連通性好，數據傳輸可靠，網絡中的節點通常結構簡單、功耗較低且布設密集。無線傳感器網絡無需電源和數據線，節點布設受地質環境約束較小，可擴展性高，增減數據點較為容易。典型的無線傳感器網絡體系結構如圖1 所示，按照某種規則在監測區域中感知對象的內部或附近布設一定數量的傳感器節點，該類節點自動組成無線網絡，通過相互協作可實時感測和處理監測區域中的相關信息，并將采集到的數據直接或通過多跳中繼方式發送至Sink 節點，最后由Sink 節點借助GPRS 遠程數據傳輸技術將數據傳送至遠程數據庫進行處理。

圖1 無線傳感器網絡體系結構Fig.1 Structure of wireless sensor networks

1.2 ZigBee 技術

ZigBee 技術是一種基于IEEE802.15.4 無線標準開發的無線組網技術［17］，主要工作于2.4 G 與868/915 MHz 等免費頻段上，其傳輸距離主要受信道環境和輸出功率的影響，通常為10 ～75 m。ZigBee作為一種低速短距離傳輸的無線網絡協議，其網絡拓撲主要有星形、樹形和網狀等3 種形式，網絡中節點的尋址方式主要有16 bit 的本地地址和64 bit 的IEEE 地址2 種。網絡由上至下可分為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網絡層和應用層，各層之間相對獨立，便于設計與調試。

ZigBee 技術將網絡中的節點從功能完整性上分為2 類:①全功能設備(fully function device，FFD)，既可以作為網絡協調器，具有協調網絡的功能，也可以充當普通的傳感器節點，可與網絡中的其他任何設備進行通訊，通常擁有相對較大的存儲空間與較強的處理能力;②簡化功能設備(reduced function device，RFD)，僅作為傳感器節點使用，主要用于采集數據信息并將數據發送給FFD，通常內存較小，功耗較低。在ZigBee 無線傳感器網絡中通過該2 種設備協調工作，在保證網絡覆蓋范圍的同時可有效降低整體功耗。ZigBee 技術具有系統簡單、組網靈活、動態性好、穩定性高、低功耗、低成本、低等待時間等特點，在環境監測領域具有其他無線網絡技術難以比擬的優勢。

1.3 GPRS 技術

GPRS 是在GSM 全球移動通信系統網絡基礎上發展的一種分組交換的數據業務［18］，具有覆蓋范圍廣、接入速度快、數據傳輸效率高、穩定性好、數據流量資費低等特點，非常適用于無線傳感器網絡中的Sink 節點與遠程服務器之間的數據傳輸。

2 煤礦環境遠程監測系統設計

2.1 系統整體設計

如圖2 所示，在監測區域內布設大量節點，該類節點通過自組織的方式組成無線傳感器網絡，傳感器節點(圖1 中的“node”和“route node”)通過ZigBee協議將采集到的數據直接或以路由中繼的方式發送至主節點(Sink node)。主節點與GPRS 模塊相連接，可以通過GPRS 網絡將數據發送至遠程監控中心。

2.2 系統硬件設計

2.2.1 傳感器節點

傳感器節點硬件結構如圖3 所示。節點采用非常適用于低功耗ZigBee 系統的飛比小金剛－CC2530 ZigBee 模塊電池板和具有高性能的射頻收發器、增強型的8051CPU、8 kB 的SRAM、AES 安全協同處理器及21 個通用IO 引腳的飛比FB2530RF_ACC2530 射頻開發板組成。通過IAR 開發環境自帶的CC2530. h頭文件中對各個特殊功能寄存器的定義，可便于對該類引腳進行編程，配置為連接模擬數字轉換器、計時器或串口部件的外圍設備I/O［19］。本系統所采用的傳感器有SHT10 防護型溫濕度傳感器、GY － 63 MS5611 －01BA03 氣壓傳感器等，用于采集監測區域的溫度、濕度、氣壓等信息。傳感器節點采用空閑休眠機制，即只有在有數據傳送時才被喚醒工作，功耗較低，使用干電池供電。

圖3 傳感器節點硬件Fig.3 Hardware of sensor nodes

2.2.2 中心節點

中心節點硬件結構如圖4 所示。采用飛比CC2530 ZigBee/RF4CE 開發板和飛比FB2530RF_A CC2530 射頻開發板組成控制核心，同時集成了COMWAYWG－8010 －232 GPRSDTU 模塊，二者之間采用RS232 串口方式進行通信，可以將無線傳感器網絡采集到的數據利用GPRS 網絡傳送至遠程監控中心。另外，考慮到中心節點功耗較高，采用太陽能板電池與蓄電池相結合的供電方式，同時使用直流控制器避免蓄電池因過充或過放而被損壞，以延長節點的工作時間。

圖4 中心節點硬件Fig.4 Hardware of sinknode

2.3 系統軟件設計

2.3.1 上位機監控軟件

上位機監控軟件具有實現監測數據的實時顯示、統計查詢、增刪記錄等數據管理功能，主要包括:①數據庫管理模塊，由數據庫與數據庫服務器組成，數據庫用于存儲數據，數據庫服務器負責各模塊與數據庫之間的交互;②系統管理模塊，主要用于實現用戶對監測數據的管理操作;③數據處理模塊，負責對接收到的數據進行處理并將其傳輸至系統管理模塊。上位機監控系統軟件架構為C/S 結構，使用面向TCP/IP 協議的Socket 通訊機制，結合SQL 數據庫，采用Microsoft Visual C#語言編寫程序。上位機監控系統結構見圖5。

2.3.2 下位機監控軟件

圖5 監控系統結構Fig.5 Monitoring system structure

下位機監控軟件主要實現ZigBee 無線傳感器網絡的建立、傳感器節點的數據采集及發送、中心節點與GPRS 模塊之間的數據通訊以及GPRS 模塊的數據收發等功能。該部分程序采用TI 公司開發的Z_Stack協議棧［20］，在IAR編譯環境中使用C#語言進行開發。對于傳感器節點主要實現數據的定時采集、A/D 運算、定時發送、定時休眠等功能，同時將一部分傳感器節點設置為路由節點，增加路由功能，以實現數據的路由中繼;對于中心節點主要實現協調網絡與數據收發等功能，借助CC2530 芯片的API 函數，遵循約定的報文格式，由中心節點向GPRS 模塊發送數據。ZigBee 無線傳感器網絡組建與數據采集過程見圖6。GPRS 數據收發流程見圖7。

圖6 ZigBee 無線傳感器網絡組建與數據采集過程Fig.6 Process of ZigBee wireless sensor networking and data collection

3 應用實例

圖7 GPRS 數據收發流程Fig.7 Flow-sheet of the transmission of GPRS data

在山東省鄒城市鮑店礦區選取試驗場對所設計的煤礦環境遠程監測系統進行測試。將IAR 編譯生成的hex 文件燒寫到CC2530 單片機并連接好溫濕度與氣壓傳感器，采用網狀拓撲結構的組網方案，在監測區域布設8 個監測點，其中3 個節點距離中心節點20 m，將其中的2 個節點設置為路由節點，用于與中心節點距離較遠的傳感器節點間的信息傳遞。同時打開遠程服務器，配置好與中心節點相連接的GPRS模塊的IP 地址與端口號，即可進行測試。啟動無線傳感器網絡并連接GPRS－DTU 后，在遠程監控中心可通過選擇節點編號，查看相應節點所采集的溫濕度與氣壓數據，并可查詢指定時間段內的數據信息。系統溫度監控面板的界面如圖8 所示。

圖8 溫度監控面板界面Fig.8 Interface of temperature monitoring

為了驗證該系統溫濕度傳感器所采集數據的準確性，選取其中3 個監測點，將傳感器節點的監測值與同一時刻WSK －SC 手持溫濕度計實地采集的數據進行對比，結果見表1。

表1 監測值與對比值結果Table 1 Results of monitoring value and comparison value

由表1 可知，該系統溫度控制精度為±1 ℃，濕度控制精度為±4.5%，可見，該系統溫濕度傳感器精度與WSK －SC 手持溫濕度計精度相當，可以滿足煤礦環境的監測要求。

4 結 語

根據煤礦現場監測的實際需求，將ZigBee 無線傳感器網絡與GPRS 技術相結合，構建了一套煤礦環境信息無線采集系統，同時結合上位機遠程監控系統，實現了對煤礦環境的遠程實時監測。結果表明，該系統運行可靠、可適應復雜的地質環境，成本較低，同時克服了有線網絡布線難度大、節點安置不靈活、動態性差、難以維護等弊端，在礦山環境綜合監測領域具有較好的應用前景。

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