基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測的設計

摘 要： 將無線傳感網(wǎng)絡技術與ZigBee技術進行融合，使用ZigBee技術搭建無線傳感網(wǎng)絡，并建立基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。以樓宇供暖遠程監(jiān)測系統(tǒng)為例，對基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設計進行說明。對ZigBee節(jié)點的核心組件PIC18LF4620處理器和CC2420無線射頻模塊引腳連接電路進行設計；對ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中處理器和模塊的軟件程序以及上位機組態(tài)監(jiān)測軟件進行設計。通過在目標樓宇內(nèi)成功安裝調(diào)試該文研究的樓宇供暖遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，使得全天候各個供暖時段的室溫均在要求的18 ℃以上，基本能夠達到室溫均衡，節(jié)約了供暖公司的成本和資源。

關鍵詞： ZigBee； 無線傳感器網(wǎng)絡； 遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測； 樓宇供暖監(jiān)測

中圖分類號： TN926?34； TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）14?0131?04

Design of remote data monitoring based on ZigBee wireless sensor network

LIU Jing

（Normal School of Yanbian University， Yanji 133000， China）

Abstract： The wireless sensor network （WSN） technology and ZigBee technology are integrated， in which the ZigBee technology is used to construct a WSN， and the remote data monitoring system based on ZigBee WSN is established. A building heating remote monitoring system is taken as an instance to describe the design of the remote data monitoring system based on ZigBee WSN. In this paper， the core component PIC18LF4620 processor of the ZigBee node and pins junction circuit of CC2420 wireless RF module， software programs of the processor and module in ZigBee WSN， and upper computer configuration monitoring software were designed. The studied building heating remote data monitoring system in the building was successfully installed and debugged， which makes the indoor temperature of each heating period above 18℃， can reach the indoor temperature equilibrium fundamentally， and save the heating cost and resources for the heating company.

Keywords： ZigBee； wireless sensor network； remote data monitoring； building heating monitoring

0 引 言

煤炭業(yè)是我國經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其中的大部分事故都同瓦斯泄漏相關，給我國人民的生命及財產(chǎn)安全帶來了極大的損失[1?3]。為了降低煤礦事故發(fā)生率，應提高對瓦斯?jié)舛葯z測的精度。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，塑造煤礦瓦斯泄漏物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺，對煤礦安全具有重要作用[4?5]。近年來出現(xiàn)許多關于監(jiān)測瓦斯泄漏方面的方法，如文獻[6]提出的防脈沖平均濾波方法，該方法過濾掉n個采集數(shù)據(jù)集中的最高和最低值，再運算剩下的全部樣本均值，獲取瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ摲N方法雖然簡單，但是當獲取數(shù)據(jù)量較高時，算法的靈敏度將大大降低。文獻[7]通過線性最小二乘法獲取采集數(shù)據(jù)中的最大和最小理想值，并將兩個值融入公式，獲取瓦斯?jié)舛戎担商岣咄咚箶?shù)據(jù)的連續(xù)性，但是該方法檢測效率低。文獻[8]依據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡操作獲取的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，該種方法無法過濾井下環(huán)境中的濕度以及溫度因素的干擾，檢測的瓦斯?jié)舛却嬖谳^高誤差。文獻[9]提出了基于免疫理論對礦井瓦斯參數(shù)進行監(jiān)測，但是該種方法存在較高的局限性，具有一定的安全隱患。為了解決上述方法存在的問題，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的井下瓦斯泄漏遠程監(jiān)控平臺，實驗結果表明，所設計監(jiān)控平臺監(jiān)控結果穩(wěn)定可靠，能夠實現(xiàn)瓦斯泄漏點的精確監(jiān)測。

1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

1.1 煤礦物聯(lián)網(wǎng)層次結構

煤礦物聯(lián)網(wǎng)絡由感知層、網(wǎng)絡傳輸層以及應用層組成，如圖1所示。

感知層采用檢測技術、無線通信技術，實現(xiàn)井下瓦斯信息以及泄漏位置信息的采集；網(wǎng)絡傳輸層通過長距離有線和無線通信技術以及網(wǎng)絡技術對感知層采集的數(shù)據(jù)進行傳遞；應用層為煤礦各職能部分的管理提供相關的服務，如煤礦災害警示，井下瓦斯泄漏安全生產(chǎn)評估以及井下瓦斯資源環(huán)境評估等。

1.2 系統(tǒng)體系結構

設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下瓦斯泄漏遠程監(jiān)測平臺的體系結構，如圖2所示。

所設計的系統(tǒng)包括井下無線傳感器網(wǎng)絡、有線通信網(wǎng)和井上監(jiān)控管理站，分別對應物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層以及應用層。無線傳感器網(wǎng)絡通過不同的傳感器的傳感階段獲取井下瓦斯?jié)舛取穸纫约皽囟刃畔ⅲ@取的信息通過路由節(jié)點完成聚合操作，并反饋到匯聚節(jié)點。無線傳感網(wǎng)絡基于無線傳感器接入網(wǎng)關同有線通信網(wǎng)絡相連，可將獲取的井下瓦斯?jié)舛纫约靶孤┪恢冒l(fā)送到井上的監(jiān)控管理站。監(jiān)控管理站包括數(shù)據(jù)庫服務器以及中央計算機，可對瓦斯?jié)舛纫约靶孤┪恢眯畔⑦M行保存、檢索和警示，并完成無線傳感網(wǎng)絡的調(diào)控。井上的監(jiān)控管理站同互聯(lián)網(wǎng)連接，為遠程控制人員檢索和監(jiān)測礦井瓦斯泄漏信息提供服務。在井下部署多個無線傳感網(wǎng)絡，對井下瓦斯?jié)舛纫约巴咚剐孤┪恢眠M行全方位的監(jiān)控。

1.3 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的硬件結構和原理圖

無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點是無線傳感網(wǎng)絡的關鍵因素，其由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及能量供應模塊構成，如圖3所示。傳感器模塊采集井下瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的轉換；處理器模塊對總體無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的運行狀態(tài)進行管理，對獲取的瓦斯?jié)舛纫约靶孤┬畔⑦M行保存和操作，獲取自身的坐標；無線通信模塊同其他網(wǎng)絡節(jié)點進行信息的交流，能量供應模塊為其他模塊提供能量服務。

瓦斯泄漏遠程監(jiān)控平臺通過傳感節(jié)點采集井下瓦斯?jié)舛刃畔ⅲx用的傳感器將CC2430 芯片作為核心CPU，并且融合處理器模塊、無線射頻模塊以及電源等模塊。CC2430 芯片具有高速、低功耗的優(yōu)勢。傳感節(jié)點硬件原理圖如圖4 所示。

1.4 網(wǎng)關服務器硬件設計

系統(tǒng)網(wǎng)關服務器采用飛凌S3C2440 開發(fā)板，網(wǎng)關服務器結構圖如圖5所示。系統(tǒng)的網(wǎng)關服務器中的溫濕度傳感器以及瓦斯傳感器將監(jiān)測到的井下瓦斯環(huán)境以及濃度信息，通過CC2530收發(fā)模塊傳遞到S3C2440開發(fā)板進行處理，并通過LCD顯示器呈現(xiàn)處理結果，同時可將處理信息存儲到SDRAM FLASH中。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

2.1 軟件功能

2.1.1 遠程實時數(shù)據(jù)傳輸和信息接收服務模塊

遠程監(jiān)控平臺的核心是智能化的無線移動通信網(wǎng)，其替代通信平臺是PSTN（撥號方式）。基于遠程監(jiān)控平臺默認設置的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)互換條約，選擇不閉合的接口，在數(shù)據(jù)傳遞信息的進程中，采集煤礦瓦斯泄漏監(jiān)控平臺的動態(tài)信息，利用信息中間件把動態(tài)消息穩(wěn)定、迅速地反饋到上一級公開的數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)中。系統(tǒng)里信息收發(fā)軟件是互相匹配的。信息接收軟件利用開放式通信網(wǎng)，把軟件信息與數(shù)據(jù)反饋到上一級的數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)中，信息接收軟件讀取全部瓦斯泄漏監(jiān)控信息，利用遠程監(jiān)控平臺默認設置的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)互換條約分解每條信息并記錄于數(shù)據(jù)庫中。

2.1.2 井下瓦斯?jié)舛刃畔@示模塊

基于用戶的要求，井下瓦斯泄漏遠程監(jiān)控網(wǎng)絡軟件與圖形信息軟件選擇B/S方法，在信息回收服務儲存系統(tǒng)里簡單高效地獲取有價值的消息，供煤礦安全生產(chǎn)指導。基于B/S形式公開信息，客戶通過表格、圖形等形式在IE瀏覽器中檢索瓦斯泄漏消息。井下瓦斯泄漏的遠程監(jiān)控平臺包括監(jiān)控界面、檢索、圖形、報表、隱患分析、系統(tǒng)管理等模塊，各模塊都具備煤礦挑選、分站號和測點號挑選，用于可在下拉菜單下完成挑選，選擇所需的信息。

如呈現(xiàn)警示消息模塊，通過該模塊可查看瓦斯?jié)舛鹊膭討B(tài)警示及以往警示消息情況的匯總，該模塊可為操作員提供每一階段的瓦斯?jié)舛染鞠R總狀況。如圖6所示。

2.2 代碼設計

通過S3C2440片中原有的8通道10位COMS的ADC（模數(shù)轉換器）進行井下瓦斯泄漏的遠程監(jiān)控平臺的模數(shù)變更。井下瓦斯?jié)舛韧ㄟ^S3C2440控制傳感器進行檢測，將傳感器獲取的信息實行A/D變更，A/D利用16位計時器完成啟動，在變更信息大于閾值時，井下瓦斯泄漏的遠程監(jiān)控平臺啟動警示功能。正常情況下井下瓦斯?jié)舛葹樾∮?%，在濃度大于等于5%時井下就會爆炸，所以將系統(tǒng)警示閾值規(guī)定在1%，程序代碼如下：

3 實驗分析

在實驗室里，基于礦井環(huán)境的特征，模擬塑造具有不同安全參數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控域，并采用本文方法部署礦井瓦斯泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。通過一段時間的監(jiān)控后，對本文監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到的瓦斯泄漏警示次數(shù)同實際狀況對比，獲取本文系統(tǒng)進行瓦斯泄漏監(jiān)控的各項指標情況，如表1所示。能夠看出本文系統(tǒng)具有較低的虛警率和漏檢率，較高的監(jiān)控準確率，可對煤礦井下瓦斯泄漏進行有效監(jiān)控。

表1 瓦斯泄漏監(jiān)控實驗指標對比

圖7為基于物聯(lián)網(wǎng)的井下瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的計算機監(jiān)控客戶端的界面，而客戶端應用測試結果如表2所示。可以看出本文系統(tǒng)具備高精度瓦斯泄漏信息監(jiān)控性能，具有較高的優(yōu)越性。

4 結 論

本文設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的井下瓦斯泄漏遠程監(jiān)控平臺，該監(jiān)控平臺包括井下無線傳感器網(wǎng)絡、有線通信網(wǎng)和井上監(jiān)控管理站，分別對應于物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡層以及應用層。監(jiān)控平臺在井下采用無線傳感網(wǎng)絡采集和傳輸瓦斯數(shù)據(jù)，傳感器采用CC2430 芯片作為核心處理器，實現(xiàn)瓦斯信息的快速檢測，系統(tǒng)網(wǎng)關服務器采用飛凌S3C2440 開發(fā)板實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，可將井下瓦斯數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳遞到井上監(jiān)控管理站。實驗結果說明，所設計監(jiān)控平臺監(jiān)控結果穩(wěn)定可靠，能夠實現(xiàn)瓦斯泄漏點的精確監(jiān)測。

表2 客戶端應用測試

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