陳 勇， 徐 釗， 張 雪

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學 研究生院，江蘇 南京 211100）

礦井里面由于存在大量的煤氣等易燃易爆氣體，很容易發(fā)生火災，一旦礦井中發(fā)生火災，往往伴隨著爆炸和塌方，會給礦工的生命財產(chǎn)帶來巨大的威脅，會給國家?guī)砭薮蟮膿p失。

人們想了很多辦法來監(jiān)控礦井下的情況，目前人們普遍采用的是利用電纜來鋪設檢測網(wǎng)絡，但是由于礦井里面結構復雜，現(xiàn)有的監(jiān)控方法和系統(tǒng)存在安裝不便、維護不便的問題，并且監(jiān)控系統(tǒng)容易損壞，維修起來非常困難。筆者針對礦井的實際需求，應用了無線傳感網(wǎng)絡技術，并且結合了云計算設計了一個對礦井內火情進行遠程監(jiān)控的系統(tǒng)[1-2]。

1 系統(tǒng)概要設計

一種基于云計算的無線傳感網(wǎng)絡火情遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由包括通訊基站、無線傳感器網(wǎng)絡和云計算平臺，主要經(jīng)由無線傳感采集礦井內部的溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)，然后通過通訊基站將數(shù)據(jù)發(fā)送到云計算平臺，在云計算平臺上對數(shù)據(jù)進行處理，礦井專家系統(tǒng)對接到云計算平臺后分析數(shù)據(jù)，然后將信息反饋給礦井管理中心，最后管理中心再根據(jù)所得到的信息使用執(zhí)行器實時地調節(jié)礦井內部的溫度以及一氧化碳量，以保證礦井的安全[3]。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡火情遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體Fig.1 Whole system of wireless sensor network fire remote monitoring

監(jiān)控系統(tǒng)是基于網(wǎng)狀結構的，無線監(jiān)控網(wǎng)絡包括礦井無線傳感節(jié)點、礦井無線路由節(jié)點、礦井無線網(wǎng)關執(zhí)行器驅動節(jié)點。在監(jiān)控網(wǎng)絡中多個礦井無線傳感節(jié)點和礦井無線路由節(jié)點組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡，其他礦井無線路由節(jié)點和礦井無線傳感節(jié)點，以及礦井無線網(wǎng)關執(zhí)行器驅動節(jié)點能自由退出和加入無線網(wǎng)絡。多個礦井無線路由節(jié)點與礦井無線傳感節(jié)點形成網(wǎng)狀Mesh網(wǎng)絡，每個礦井無線路由節(jié)點為Mesh網(wǎng)絡中的路由節(jié)點，當?shù)V井無線傳感節(jié)點離礦井無線路由節(jié)點太遠超過無線通信距離時，可逐級多跳通過其他礦井無線傳感節(jié)點與礦井無線路由節(jié)點進行通信，或者當網(wǎng)絡中斷時自動通過其他礦井無線路由節(jié)點通信，礦井無線路由節(jié)點能自由加入和退出無線監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)整個無線監(jiān)控網(wǎng)絡的自組織和自恢復。路由節(jié)點會將數(shù)據(jù)發(fā)送到云計算平臺，在云計算平臺上對數(shù)據(jù)進行處理，礦井專家系統(tǒng)對接到云計算平臺后分析數(shù)據(jù)然后反饋信息給礦井管理中心。白色圓點為礦井無線傳感節(jié)點，黑點圓點為礦井無線路由節(jié)點，方形點為礦井無線網(wǎng)關執(zhí)行器驅動節(jié)點。具體而言，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，每個火情無線路由節(jié)點（無線傳感器節(jié)點）為礦井網(wǎng)絡中的路由節(jié)點。

2 系統(tǒng)硬件設計

一種基于云計算的礦井無線傳感網(wǎng)絡火情遠程監(jiān)控系統(tǒng)[4]，包括通訊基站、無線傳感器網(wǎng)絡和云計算平臺，所述無線傳感器網(wǎng)絡通過通訊基站與云計算平臺相連接，該無線傳感器網(wǎng)絡包括用于采集煤礦安全數(shù)據(jù)的無線傳感器、執(zhí)行器和用于傳輸煤礦安全數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)關，所述無線傳感器、執(zhí)行器和無線網(wǎng)關相連接。

所述無線傳感器包括無線一氧化碳傳感器、無線風壓傳感器和無線溫度傳感器；執(zhí)行器包括溫度控制器和一氧化碳控制器。

所述無線一氧化碳傳感器包括一氧化碳傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器，其中一氧化碳傳感器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器均與msp430微處理器相連接。

所述無線風壓傳感器包括風壓傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器，其中風壓傳感器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器均與msp430微處理器相連接。

所述無線溫度傳感器包括溫度傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器，其中溫度傳感器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器均與msp430微處理器相連接。

溫度傳感器、一氧化碳傳感器與無線傳感節(jié)點對接，采集礦井環(huán)境內的溫度和一氧化碳，然后經(jīng)過無線傳感操作系統(tǒng)實時的調度通過CC2530模塊將礦井環(huán)境內的溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)發(fā)送給無線傳感路由節(jié)點，路由節(jié)點收到數(shù)據(jù)后又轉發(fā)給無線傳感網(wǎng)關節(jié)點，無線傳感網(wǎng)關經(jīng)過無線傳感操作系統(tǒng)的調度通過CC2530射頻模塊接收數(shù)據(jù)并得到溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡接入到因特網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到云計算平臺，專家系統(tǒng)登陸云計算平臺后取得相應的數(shù)據(jù)并判斷否則要調節(jié)溫度，如果需要則控制溫度和一氧化碳控制執(zhí)行器對礦井溫度和一氧化碳進行調節(jié)。

如圖2所示是礦井無線傳感節(jié)點硬件原理圖，主微處理器為msp430單片機，同時接入CC2530射頻模塊無線收發(fā)模塊，溫度和一氧化碳傳感器接入msp430單片機中，負責采集礦井室內的溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)，經(jīng)過msp430的AD轉化通過CC2530射頻模塊無線收發(fā)模塊發(fā)送給礦井無線傳感路由節(jié)點。

圖2 礦井無線傳感節(jié)點硬件原理圖Fig.2 Mine wireless sensor node hardware principle diagram

如圖3所述是礦井無線路由節(jié)點硬件原理圖[5]，主微處理器為S3C2410，同時接CC2530射頻無線收發(fā)模塊，接入網(wǎng)卡通過因特網(wǎng)接入云計算平臺，同時處理器還通過IO口接入光耦和固態(tài)繼電器控制器對溫度和一氧化碳進行控制。首先通過CC2530射頻無線收發(fā)模塊接收無線傳感節(jié)點傳送過來的溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡傳送至云計算平臺，專家系統(tǒng)接入到云計算平臺上分析礦井溫度數(shù)據(jù)作出判斷如何控制溫度和一氧化碳控制器，將判斷結果發(fā)送到微處理器S3C2410，微處理器根據(jù)判斷結果對溫度控制器進行相應控制。

圖3 礦井無線路由節(jié)點硬件原理圖Fig.3 Mine wireless routing node hardware principle diagram

3 系統(tǒng)軟件設計

如圖4所述是礦井無線監(jiān)控網(wǎng)絡初始化流程圖[6]，軟件實現(xiàn)過程：系統(tǒng)在軟硬件初始化后開始建立新的網(wǎng)絡，對各信道進行能量掃描，選擇一個空閑信道；找到合適的通道后，為新網(wǎng)絡選擇一個網(wǎng)絡標識符從而建立新的傳感器網(wǎng)絡，并允許礦井無線路由節(jié)點加入，同時路由總節(jié)點和云計算平臺進行數(shù)據(jù)循環(huán)對接；掃描是否新的無線路由節(jié)點加入網(wǎng)絡，如有且確認是礦井無線路由節(jié)點，則允許其加入并分配16位的網(wǎng)絡地址。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

4 結 論

本系統(tǒng)與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為：1）本系統(tǒng)借助無線傳感操作系統(tǒng)的實時調度功能，將無線傳感網(wǎng)絡很好在礦井環(huán)境中得到了應用，同時將環(huán)境的數(shù)據(jù)能實時傳送到云計算平臺，從而便于與各種礦井專家系統(tǒng)進行對接，避免了傳統(tǒng)的礦井電纜布線監(jiān)控和本地數(shù)據(jù)分析的局限性；2）本系統(tǒng)具備低成本、自組織、系統(tǒng)功耗低、信息交互方便等特點。

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