馬曉燕

1 系統(tǒng)功能

WSN 即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可以通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行命令下達(dá)和信息收集。系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)均以無線方式通信，避免了有線通信的布線冗繁，適合應(yīng)用在人工操作不便或具有一定危險(xiǎn)性的工作區(qū)域。

煤礦井下溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依靠專用傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度進(jìn)行采集，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)向集中器的匯集。集中器由ZigBee 模塊和RS485 總線組成，RS485 接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向以太網(wǎng)匯集并遠(yuǎn)程傳輸?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)中心。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用超低功耗設(shè)計(jì)，有效工作時(shí)間最長(zhǎng)能達(dá)到6 個(gè)月。在整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)使用Mesh 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Mesh 網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)點(diǎn)是若某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其他節(jié)點(diǎn)依然能夠正常通信，確保系統(tǒng)通信穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由3 大部分組成，即傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)和中心網(wǎng)關(guān)。

傳感器節(jié)點(diǎn)集成了無線通信模塊ATZGB-780F1和TMP122 溫度傳感器，超低功耗設(shè)計(jì)，由干電池或鋰電池供電。ATZGB-780F1 所需求的物理空間小，有利于降低功耗，大大延長(zhǎng)了電池使用壽命；并且開發(fā)費(fèi)用較低，模塊內(nèi)部資源開放性很高，也有利于井下大面積使用。ATZGB-780F1 模塊中射頻芯片采用的是AT86RF212。該芯片的接收器通路以中低頻結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，發(fā)送與接收信號(hào)處理通路均經(jīng)過高度集成與優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)低功耗的目的。TMP122 溫度傳感器適于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在測(cè)溫范圍在-40℃～150℃之間，在0℃～65℃范圍內(nèi)測(cè)量精度能達(dá)到0.5℃，即使在整個(gè)測(cè)溫區(qū)間內(nèi)的測(cè)量精度也保持在1℃以內(nèi)。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物見圖1。

圖1 ATZGB-780F1 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物

數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)集成了ATZGB-780F1 模塊和RS485 通信接口，低功耗設(shè)計(jì)，采用鎳氫電池供電。

中心網(wǎng)關(guān)采用通用計(jì)算機(jī)，安裝系統(tǒng)管理軟件，獲取傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。

3 工作流程

整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)區(qū)段網(wǎng)絡(luò)組成，各區(qū)段網(wǎng)絡(luò)通過RS485 總線與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行連接。各區(qū)段的傳感器網(wǎng)絡(luò)以ZigBee 協(xié)議方式連接。

中心網(wǎng)關(guān)上電后，通過RS485 總線向數(shù)據(jù)中心獲取時(shí)間信息，等待傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)開始初始化。網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，集體休眠。定時(shí)時(shí)間到后，傳感器節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，讀取傳感器采集的溫度信息后向網(wǎng)關(guān)匯集，數(shù)據(jù)報(bào)完后，傳感器節(jié)點(diǎn)休眠，網(wǎng)關(guān)通過RS485 向數(shù)據(jù)中心上傳數(shù)據(jù)，完成后進(jìn)入休眠。

對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部來說，節(jié)點(diǎn)上電后，注冊(cè)入ZigBee 網(wǎng)獲取相關(guān)信息后進(jìn)入休眠狀態(tài)。定時(shí)時(shí)間到，ATZGB-780F1 模塊CPU 被喚醒，CPU 喚醒傳感器，等待傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)收集起來并存儲(chǔ)，發(fā)送命令使傳感器進(jìn)入休眠，同時(shí)將傳感器數(shù)據(jù)通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上傳到主節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸完成，節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠，等待下一次傳輸周期。

數(shù)據(jù)中心向各區(qū)段網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時(shí)間參數(shù)取值范圍為1 min～65 534 min，各傳感器節(jié)點(diǎn)以該配置為周期，向數(shù)據(jù)中心上報(bào)傳感器所采集的溫度信息值。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將WSN 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于煤礦之中，其中一個(gè)重要目的是為了解決在井下某些復(fù)雜環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，減少人工操作。WSN 網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全生產(chǎn)中，采空區(qū)溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)是一重要應(yīng)用。

在開始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，各井下設(shè)備均已獲得煤安認(rèn)證。井下工作的各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性已測(cè)試，每個(gè)節(jié)點(diǎn)電池在2 h 發(fā)送1 次數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)頻率下能夠工作180 d?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)于同煤國(guó)電集團(tuán)同忻礦順利完成，傳感器節(jié)點(diǎn)采用預(yù)埋的方式，具體布置方式和WSN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

當(dāng)埋入采空區(qū)后，通過多跳無線傳輸，將各節(jié)點(diǎn)所測(cè)溫度信息匯總于數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)隨工作面的推進(jìn)而不斷移動(dòng)。隨著監(jiān)測(cè)區(qū)域的擴(kuò)大，不斷有新的傳感器節(jié)點(diǎn)加入到監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)之中。每當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)加入，中心網(wǎng)關(guān)會(huì)自動(dòng)組網(wǎng)，建立新的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的溫度信息最終通過所連接的同忻礦以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)上傳至地面監(jiān)測(cè)中心。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)布置方式及WSN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成

由于條件所限，在為期20 d 的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，傳感器節(jié)點(diǎn)置于3 mm 厚的鑄鐵殼內(nèi)，因此在煤層垮落時(shí)得到了較好的保護(hù)。埋入節(jié)點(diǎn)工作正常，按照時(shí)間要求發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，組網(wǎng)效果良好。節(jié)點(diǎn)之間無線通信距離保持在5 m 左右。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面見第17頁(yè)圖3。

在20 d 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，各節(jié)點(diǎn)日監(jiān)測(cè)溫度去均值得到圖4 所示的溫度曲線（見第17 頁(yè)圖4）。由數(shù)據(jù)曲線可看到，采空區(qū)溫度趨于平穩(wěn)，溫度值始終保持在警戒值以下，無火源征兆，達(dá)到了對(duì)采空區(qū)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

將無線通信技術(shù)手段應(yīng)用于礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控中，不僅有利于提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性，而且對(duì)于井下一些人員出入不便的區(qū)域也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，在一定程度上減少了監(jiān)測(cè)死角帶來的安全隱患。目前，針對(duì)煤礦的無線通信技術(shù)主要應(yīng)用在井下人員無線定位、水文監(jiān)測(cè)、氣體濃度檢測(cè)及溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)當(dāng)中。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有越來越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控之中，為礦井實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)給予技術(shù)支持。

圖4 同忻礦采空區(qū)溫度曲線

[1]劉彬.煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)網(wǎng)格型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn).北京：北京交通大學(xué)出版社，2008.

[2]王偉峰.煤田火災(zāi)無線自組網(wǎng)鉆孔溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)研究.西安：西安科技大學(xué)出版社，2010.

[3]POTTIE J G，KAISER J W.Wireless network sensors.Proc of Communications of the ACM.New York，USA，2000：51-558.

[4]童敏明，謝金成，戴新聯(lián)，等.煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì).煤礦安全，2007（1）：5-8.

[5]趙秋.SPI 總線溫度傳感器TMP122 及其應(yīng)用.傳感器世界，2008（8）：45-46.