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【摘要】隨著嵌入式移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展,針對(duì)相關(guān)的具體應(yīng)用場(chǎng)景,設(shè)計(jì)出了低功耗、數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)礦山環(huán)境的諸多特點(diǎn),通過(guò)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出三維礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案,對(duì)建設(shè)三維數(shù)字化礦山具有一定的參考價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);協(xié)作感知;系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1引言
煤炭開(kāi)采工業(yè)一直是我國(guó)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位十分重要,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和感知礦山理念的不斷深化,煤礦開(kāi)采變得更加機(jī)械化和智能化,而且由于礦山井下巷道地質(zhì)條件復(fù)雜,生產(chǎn)工作環(huán)境惡劣,瓦斯突出、煤塵、水災(zāi)等安全隱患問(wèn)題不容忽視,其中瓦斯爆炸造成的危害范圍極廣,影響深遠(yuǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤礦井下事故的發(fā)生主要是由瓦斯引起的,其造成的傷亡占到重特大事故傷亡人數(shù)的九成左右,因此對(duì)于礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)始終是不容忽視的問(wèn)題,
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有三層結(jié)構(gòu):環(huán)境感知層、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸層和上位機(jī)管理軟件層,其中,環(huán)境感知層主要針對(duì)采集礦山空氣的粉塵、溫濕度、有害氣體(如CO、CO2等);土壤的溫濕度、pH值、金屬離子的含量等;水環(huán)境的溫度、pH值以及氮氧含量等;通過(guò)布置相應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組網(wǎng)后,利用自發(fā)上傳或者上位機(jī)下達(dá)指令的方式,把感知數(shù)據(jù)匯聚到匯聚節(jié)點(diǎn),匯聚節(jié)點(diǎn)再通過(guò)3G技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù),上位機(jī)的智能管理軟件系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)煤礦環(huán)境信息的實(shí)時(shí)查詢和評(píng)價(jià)分析,另外,煤礦環(huán)境管理部門(mén)等不同使用者也可通過(guò)Internet進(jìn)行訪問(wèn)。
3系統(tǒng)功能
礦山監(jiān)測(cè)區(qū)域廣,且地處野外,為了監(jiān)測(cè)空氣、土壤等空間對(duì)象的環(huán)境參數(shù),需要在礦區(qū)布放多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)能夠自組織成網(wǎng)絡(luò),完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。
3.1礦山環(huán)境基本特點(diǎn)
①?gòu)牡乩砦恢媒嵌葋?lái)看,礦山所處位置一般比較偏僻,海拔相對(duì)較高,監(jiān)測(cè)難度較大。②信息采集周期較長(zhǎng)。由于監(jiān)測(cè)手段限制,傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息的獲取主要依靠人力取得,信息獲取周期較長(zhǎng),不利于礦山環(huán)境信息的及時(shí)更新。③信息的顯著特點(diǎn):數(shù)據(jù)源豐富、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型眾多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且礦山數(shù)據(jù)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,大量數(shù)據(jù)如果得不到及時(shí)收集、整理、保存、分析,一旦丟失,將會(huì)造成數(shù)據(jù)信息資源及經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。④信息相對(duì)遲緩。傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息的主要依靠相關(guān)部門(mén)將信息編輯成冊(cè),出版發(fā)行,公眾對(duì)信息的獲取相對(duì)遲緩,不利于信息的廣泛應(yīng)用。
3.2技術(shù)需求
通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)分析,可以知道傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段存在許多不足之處,需要在無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程傳輸控制、大范圍監(jiān)測(cè)、快速信息等方面進(jìn)行改進(jìn)和彌補(bǔ)。由于ZigBee無(wú)線傳感器技術(shù)具有多節(jié)點(diǎn)、低功耗、低成本的特點(diǎn),能夠適應(yīng)復(fù)雜地形的信息監(jiān)測(cè),滿足礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)的野外工作性質(zhì)需要。智能傳感器具有高敏感性、高精度、多類型等特點(diǎn),監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)外接不同類型的傳感器,以實(shí)現(xiàn)不同對(duì)象的信息參數(shù)采集。基于3G的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、遠(yuǎn)程操控的特點(diǎn),能夠及時(shí)地獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)、控制采集設(shè)備,滿足礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性需求。GIS技術(shù)以空間數(shù)據(jù)為操作對(duì)象,能夠?qū)崿F(xiàn)礦山信息的三維可視化顯示。基于C/S模式的工作方式,服務(wù)器端完成信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理功能,客戶端完成數(shù)據(jù)處理、表示及用戶接口功能,用戶通過(guò)客戶端向服務(wù)器端提交請(qǐng)求,由服務(wù)器端提供服務(wù)并響應(yīng)用戶請(qǐng)求,實(shí)現(xiàn)礦山環(huán)境信息的查詢、統(tǒng)計(jì)分析等功能,用戶訪問(wèn)便捷、安全性高,使得公眾能夠及時(shí)有效地獲取監(jiān)測(cè)信息,滿足礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的時(shí)效性需求。
4硬件架構(gòu)
4.1無(wú)線通信模塊
本系統(tǒng)無(wú)線通信模塊的微處理器芯片選用了CC2530,配套無(wú)線通信芯片為CC2591。CC2591具有2.4GHz低功耗RF射頻收發(fā)器,是德州儀器公司生產(chǎn)的核心系統(tǒng)芯片產(chǎn)品之一。主要功能包括射頻匹配、射頻轉(zhuǎn)換,能夠和CC2530進(jìn)行無(wú)縫平衡轉(zhuǎn)換,是一款高性能低成本的RF前端放大器芯片。其中,功率放大器模塊能夠?qū)o(wú)線射頻功率提高至+22dBm,低噪聲放大器模塊可以將接收機(jī)的靈敏度提高+6dB,保證無(wú)線通信覆蓋范圍,此外,CC2591內(nèi)部集成了RF匹配網(wǎng)絡(luò),所以在RF輸入輸出部分不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò),適用于所有2.4GHz無(wú)線系統(tǒng)。CC2591從天線接收到射頻信號(hào)時(shí),經(jīng)過(guò)邏輯選通后進(jìn)入LNA,過(guò)濾后的信號(hào)通過(guò)與CC2530連接的引腳將收到的信號(hào)傳輸存入寄存器CC2591,在發(fā)送射頻信號(hào)時(shí),經(jīng)過(guò)邏輯選通后進(jìn)入PA,將信號(hào)放大后通過(guò)天線發(fā)送出去。
4.2智能監(jiān)測(cè)模塊
礦山各類環(huán)境的監(jiān)測(cè)主要借助于傳感器節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器件,測(cè)量所在周邊環(huán)境中溫度、濕度、粉塵、CO2等信號(hào)。傳感器的發(fā)展歷經(jīng)了傳統(tǒng)傳感器(DumbSenor)、智能傳感器(SmartSensor)、嵌入式Web傳感器(EmbeddedWebSensor)的過(guò)程,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求不同,相應(yīng)設(shè)計(jì)的傳感器種類也不盡相同,相比較于只具有單一感知能力的傳統(tǒng)傳感器,智能傳感器不僅具有協(xié)作感知、信息交換、數(shù)據(jù)處理的能力,而且能夠根據(jù)環(huán)境的變化做出相應(yīng)的實(shí)時(shí)反饋,采用智能傳感器布置環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊部分,不僅節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的布置成本,而且提高了數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量。
4.3電源模塊設(shè)計(jì)
無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境是野外,感知器節(jié)點(diǎn)應(yīng)充分考慮防潮、防雨、防雷擊、高低溫工作環(huán)境等因素。由于是野外環(huán)境,節(jié)點(diǎn)的供電就不便利,所以要求傳感器節(jié)點(diǎn)必須設(shè)計(jì)成低功耗。在礦區(qū)供電方便區(qū)域,電源可通過(guò)鋪設(shè)礦用電纜的方式布置,在環(huán)境惡劣供電不便的區(qū)域,可采取節(jié)點(diǎn)自身攜帶蓄電池和太陽(yáng)能電池板的方式,這樣在保持網(wǎng)絡(luò)正常通信覆蓋的前提下,延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的壽命和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期,降低了維護(hù)成本。本系統(tǒng)采用基于太陽(yáng)能電池板和鋰電池的供電系統(tǒng),為節(jié)點(diǎn)中不同的模塊提供不同的電壓電源,能夠?qū)崿F(xiàn)在有陽(yáng)光的煤礦礦山野外環(huán)境中為無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)永久性供電的目標(biāo)系統(tǒng)。
5軟件架構(gòu)
軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì),因?yàn)楹诵男酒倪x擇是ZigBeeCC2530,相應(yīng)的軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具選擇IARSystem7.51A。IAREmbeddedWorkbench是一套完整的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,包括代碼編輯器、工程建立、C/C++編譯器、連接器和調(diào)試器等各類開(kāi)發(fā)工具。協(xié)議棧的選取是德州儀器公司ZigBee協(xié)議棧,通過(guò)基于ZigBee通信協(xié)議,利用標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言進(jìn)行相關(guān)的代碼設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了感知層絕大部分的應(yīng)用要求,并提供了相關(guān)的接口函數(shù),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),只需要根據(jù)應(yīng)用要求調(diào)用相關(guān)的接口函數(shù)并配置,然后在應(yīng)用層開(kāi)發(fā)相應(yīng)的程序。目前為止,TI公司所提供的協(xié)議棧到目前為止經(jīng)歷了多個(gè)版本,根據(jù)應(yīng)用需求,我們選取官方網(wǎng)站提供的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本,在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯和相關(guān)代碼下載,根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)分為以下幾層:應(yīng)用層(APL),硬件抽象層(HAL),介質(zhì)訪問(wèn)層(MAC),網(wǎng)絡(luò)層(NWK),操作系統(tǒng)抽象層(OSAL),ZigBee設(shè)備層(ZDO)。基于操作系統(tǒng)的相關(guān)思想,結(jié)合相關(guān)具體的應(yīng)用案例,Z-Stack協(xié)議棧通過(guò)構(gòu)建事件輪循機(jī)制,在各層初始化時(shí),整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài),當(dāng)外部事件發(fā)生時(shí),相應(yīng)模塊將會(huì)從睡眠狀態(tài)進(jìn)入到工作模式,系統(tǒng)將會(huì)被喚醒,進(jìn)入中斷狀態(tài)處理事件,當(dāng)事件處理結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生,則通過(guò)判斷事件觸發(fā)優(yōu)先級(jí),依次處理事件。采用這種逐級(jí)出發(fā)軟件構(gòu)架可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。
6結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的三維礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)與系統(tǒng),通過(guò)使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),基本實(shí)現(xiàn)了大面積區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)和礦山周邊環(huán)境信息數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化,很好地解決了礦山環(huán)境信息監(jiān)測(cè)中存在的面積大、地形復(fù)雜等問(wèn)題。
【參考文獻(xiàn)】
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【3】趙新卓.基于GIS的邯鄲市礦山環(huán)境信息系統(tǒng)研究[D].邯鄲:河北工程大學(xué),2009.
作者:楊振洲 單位:淮北礦業(yè)集團(tuán)公司