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        礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

        2010-11-27 01:41:20董智勇張書欽董躍鈞
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        董智勇, 張書欽, 董躍鈞

        (中原工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,河南 鄭州 450007)

        國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,我國(guó)煤礦百萬噸死亡率(煤礦主要的安全考核指標(biāo))是美國(guó)的100倍、俄羅斯的10倍.國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局令第21號(hào)文件第6條規(guī)定:煤礦必須建立運(yùn)行可靠的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng),必須裝備運(yùn)行可靠的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)和傳感器的安裝、使用、維修,必須符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的要求.因此,建立礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)煤炭的安全生產(chǎn)與效益兼顧,已成為我國(guó)煤炭企業(yè)迫在眉睫的首要任務(wù).

        1 國(guó)內(nèi)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

        1.1 國(guó)內(nèi)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

        我國(guó)礦井在20世紀(jì)90年代引進(jìn)了Senturion-600監(jiān)控系統(tǒng).同時(shí),在“六五~十五規(guī)劃”期間相繼自行研制了KJ系列的監(jiān)控系統(tǒng)以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)等[1],但礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)并不盡如人意.

        1.2 國(guó)內(nèi)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問題

        (1)基本采用有線通信的方式,布線難度大,一旦線路損壞,數(shù)據(jù)丟失,將無法滿足實(shí)時(shí)測(cè)控的要求.

        (2)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差.礦井巷道復(fù)雜,肯定有難以鋪設(shè)線纜的地方,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法擴(kuò)展.

        (3)傳感器結(jié)點(diǎn)的數(shù)量少,容易導(dǎo)致監(jiān)測(cè)盲區(qū)[2].

        (4)通信線路維護(hù)成本高,一些煤礦邊維護(hù)、邊生產(chǎn),甚至有些煤礦干脆不維護(hù),嚴(yán)重影響了生產(chǎn)安全.

        (5)定位困難.井下接收不到GPS的定位信息,傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)不具備定位功能,不能對(duì)井下的工作人員進(jìn)行定位[3].

        為了解決上述礦井安全監(jiān)測(cè)方式的缺陷,我們?cè)O(shè)計(jì)了礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

        2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量的無線傳感器結(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的自組織系統(tǒng),一般包含有無線協(xié)調(diào)器、無線路由器和無線傳感器終端,它們可以實(shí)現(xiàn)協(xié)作地感知、采集和處理監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,并將之層層轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測(cè)機(jī).

        2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控管理子系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Architecture of the system

        2.2 監(jiān)控管理子系統(tǒng)

        監(jiān)控管理子系統(tǒng)主要由一臺(tái)監(jiān)控機(jī)(安裝有監(jiān)控軟件)和一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成.監(jiān)控機(jī)主要負(fù)責(zé)通過Sink結(jié)點(diǎn)匯聚井下所有無線傳感器終端采集的監(jiān)控信息,并對(duì)之進(jìn)行參數(shù)配置或發(fā)布操作指令;當(dāng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)值超過預(yù)設(shè)閥值時(shí),進(jìn)行對(duì)應(yīng)圖標(biāo)的閃爍和聲音報(bào)警;動(dòng)態(tài)顯示拓?fù)渎酚?;將監(jiān)控到的信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中.數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)監(jiān)控的數(shù)據(jù),并提供查詢功能.

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要由一個(gè)Sink結(jié)點(diǎn)、若干個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、 ZigBee主路由器、 ZigBee無線備用路由器以及ZigBee傳感器結(jié)點(diǎn)等組成.

        Sink結(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和監(jiān)控管理子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸,功能相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān).

        ZigBee協(xié)調(diào)器:固定在坑道內(nèi)的固定支架上,主要負(fù)責(zé)組建、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)等工作.

        主ZigBee路由器:固定在坑道內(nèi)的固定支架上,主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自于ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee無線傳感器與其他ZigBee路由器的數(shù)據(jù).

        備用ZigBee路由器:固定在坑道內(nèi)的固定支架上,主要負(fù)責(zé)在主ZigBee路由器發(fā)生故障時(shí)及時(shí)代替主ZigBee路由器的工作.

        ZigBee傳感器:主要負(fù)責(zé)按監(jiān)控中心發(fā)來的指令實(shí)時(shí)或定期地采集相關(guān)的監(jiān)測(cè)信息,并將之轉(zhuǎn)發(fā)給鄰近的ZigBee路由器,然后由ZigBee路由器轉(zhuǎn)發(fā)給某ZigBee協(xié)調(diào)器,最后由ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心.

        3 系統(tǒng)主要功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

        根據(jù)對(duì)遼寧某煤礦的實(shí)地調(diào)研,我們?cè)O(shè)計(jì)了“礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”,功能如圖2所示.

        圖2 系統(tǒng)功能圖Fig.2 Function of system

        3.2 監(jiān)測(cè)管理子系統(tǒng)主要功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        3.2.1 參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)計(jì)

        通過監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)各ZigBee結(jié)點(diǎn)的配置工作,主要包括設(shè)置信道、采集頻率、各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的閥值等.

        3.2.2 數(shù)據(jù)處理分析與統(tǒng)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)

        采集來的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須經(jīng)處理后,與閥值進(jìn)行比對(duì),如超過閥值,則進(jìn)行設(shè)備對(duì)應(yīng)圖標(biāo)的閃爍和聲音報(bào)警等;對(duì)一定時(shí)間間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患.

        3.2.3 拓?fù)滹@示模塊

        對(duì)井下的所有活動(dòng)結(jié)點(diǎn),每5 min更新一次拓?fù)?,在拓?fù)鋱D上能讀出該移動(dòng)無線設(shè)備的位置.

        3.2.4 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢與維護(hù)模塊

        將采集到的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定期存放到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中,方便以后對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢.

        3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        3.3.1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)

        (1)硬件設(shè)計(jì)

        數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊的功能由ZigBee傳感器結(jié)點(diǎn)來完成.ZigBee傳感器結(jié)點(diǎn)由無線傳輸模塊(選用TI公司的CC2430)、數(shù)據(jù)處理模塊(選用MSP430)和傳感器模塊(根據(jù)需要,可選用溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯?組成.

        (2)軟件設(shè)計(jì)

        ZigBee傳感器模塊上電初始化后,即不停地偵聽信道,如收到睡眠指令,則進(jìn)入睡眠狀態(tài),以保存電量,延長(zhǎng)使用時(shí)間;由于MSP430支持中斷喚醒,且比較器模塊仍然工作,因此即使睡眠仍能感知被監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)變化;如有周期數(shù)據(jù)的采集命令,則按時(shí)序收集并上傳數(shù)據(jù),否則繼續(xù)偵聽信道.流程圖如圖3所示.

        圖3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊流程圖Fig.3 Flow chart of data collection and transmission based on ZigBee sensor

        3.3.2 網(wǎng)絡(luò)組建與維護(hù)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        (1)硬件設(shè)計(jì)

        本模塊由ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn);ZigBee協(xié)調(diào)器除了不包含傳感器模塊外,其他和ZigBee傳感器模塊一樣,只不過燒寫了協(xié)調(diào)器的程序而已.

        (2)軟件設(shè)計(jì)

        ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)所在坑道的組網(wǎng),允許結(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò),完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息

        管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā),報(bào)告結(jié)點(diǎn)損壞信息等任務(wù),其流程如圖4所示.

        圖4 網(wǎng)絡(luò)組建與維護(hù)模塊流程圖Fig.4 Flow chart of net built and maintained

        4 結(jié) 論

        系統(tǒng)經(jīng)在遼寧某煤礦安裝使用,運(yùn)行穩(wěn)定,通過監(jiān)控機(jī)上的監(jiān)控軟件能很好地對(duì)井下各ZigBee結(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的控制和信息收集,采集到的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠.

        參考文獻(xiàn):

        [1] 王凱,梁萬用,胡智宏. 基于ZigBee的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2010(17):184-186.

        [2] 鄧作杰,譚小蘭. 基于ZigBee技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2010(8):171-173.

        [3] 張嘉怡,劉建文.ZigBee技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)控技術(shù),2008(7):122-125.

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