趙　凱　喬會珍

摘要：基于Zigbee的無線傳感器的網(wǎng)絡技術(shù)，提出了對井下監(jiān)控系統(tǒng)在新型網(wǎng)絡環(huán)境下應用的思考。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；ZigBee監(jiān)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(chǎn)過程中礦井環(huán)境的不斷變化，井下巷道將變得越發(fā)狹窄，通信線路的延伸和維護實現(xiàn)起來就變得復雜。在通信技術(shù)高速發(fā)展的今天，組建井下無線網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為大勢所趨。本文提出采用基于ZigBee技術(shù)的新型井下無線安全監(jiān)控系統(tǒng)，就是在此背景下進行研究和開發(fā)的。

ZigBee(紫蜂)是一種采用成熟無線通訊技術(shù)的全球統(tǒng)一標準的開放的無線傳感器網(wǎng)絡。ZigBee技術(shù)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(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年；(2)網(wǎng)絡容量大，每個ZigBee網(wǎng)絡最多可支持255個設(shè)備；(3)時延短，通常時延都在15～30ms之間；(4)協(xié)議簡單，安全性高?；谶@些技術(shù)優(yōu)勢，ZigBee非常適用于煤礦井下巷道多曲折、多風門等結(jié)構(gòu)特點，電源供電限制嚴格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點。

1新型井下無線網(wǎng)絡安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

井下無線通信網(wǎng)絡安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以下四部分：(1)傳感器節(jié)點負責采集瓦斯?jié)舛?、濕度和溫度，并將所采集到的?shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)礁浇闹欣^節(jié)點；(2)中繼節(jié)點可固定在巷道內(nèi)，負責將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給信息接收終端和將命令傳給傳感器節(jié)點。(3)基站接收終端節(jié)點：安裝在主巷道內(nèi)，接收固定式無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過通信電纜將數(shù)據(jù)傳輸給信息收集數(shù)據(jù)庫服務器。(4)監(jiān)控中心使用監(jiān)控軟件對節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行存儲和分析，發(fā)現(xiàn)異常情況即使發(fā)出警報。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點設(shè)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(wǎng)絡的功耗較小，使用2節(jié)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?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)進行采集。其中瓦斯?jié)舛鹊臋z測是監(jiān)控系統(tǒng)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(chǎn)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(tài)工作；其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)；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(huán)境溫度范圍為－40℃～+85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境，完全能夠勝任各個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)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(shù)的214GHz的射頻芯片CC2430，延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)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(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時器、AES128協(xié)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(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性的開發(fā)工具。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250Kb／s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。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(nèi)部電路提供。由內(nèi)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(shù)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)使用微軟公司的Visual Studio，NET 2005作為開發(fā)工具，主要完成以下功能：顯示監(jiān)測的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)超標時發(fā)出報警提示；實時曲線顯示；歷史數(shù)據(jù)查詢，包括遠程訪問；對網(wǎng)絡的控制，如設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔。

4總結(jié)

本文提出了采用Zigbee技術(shù)建立煤礦監(jiān)控通信系統(tǒng)的新方法，并對系統(tǒng)硬件和軟件進行了詳細的說明。但井下無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)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(wǎng)絡的實際應用，這在今后的研究中要加以改進。