衛(wèi)文慧 龍水軍

【摘要】煤礦安全問(wèn)題一直是制約煤礦發(fā)展的關(guān)鍵因素，解決該問(wèn)題的辦法之一就是建立一套可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化管理。本文利用高性能微處理器S3C2440A采集礦井下重要環(huán)境點(diǎn)的圖像、有害氣體等數(shù)據(jù)。進(jìn)行相關(guān)的算法處理后傳送給附近的ZigBee節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線傳輸，最終在控制端實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的智能化礦井監(jiān)控系統(tǒng)能大大提高礦井的管理力度，降低礦井下的事故發(fā)生率，提高工作效率。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感網(wǎng);ZigBee;S3C2440A;嵌入式系統(tǒng)

引言

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)能源的需求不斷增加，在一定程度上導(dǎo)致我國(guó)煤礦開(kāi)采量不斷上升。煤礦采煤方法與技術(shù)在煤礦開(kāi)采中扮演著重要的角色，其中礦井安全是必須考慮的問(wèn)題。我國(guó)煤礦事故常年位居世界前列，要避免煤礦事故，減少傷亡，就必須及時(shí)了解井下空氣中有害氣體含量和人員定位信息[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，需要先組建一個(gè)高效可行的網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能[3-4]。

1.礦井監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的礦井監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下安置的節(jié)點(diǎn)周圍環(huán)境的監(jiān)控，包括各種有害氣體、圖像等。包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)與之相連的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，并最終通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)上位機(jī)控制端時(shí)，則可以對(duì)該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制。具體的流程如圖1所示：

圖1 礦井監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文中數(shù)據(jù)采集端微處理器采用的是ARM9系列的S3C2440A，主要實(shí)現(xiàn)圖像、溫濕度、二氧化碳、一氧化碳、天然氣等數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)為開(kāi)放性架構(gòu)，可以增添數(shù)字傳感器。系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.1 微處理器S3C2440A介紹

S3C2440A是三星公司生產(chǎn)的一款低功耗和高性能的小型芯片微控制器。其最高晶振能達(dá)到405MHZ。該芯片功耗低，簡(jiǎn)單精致且全靜態(tài)設(shè)計(jì)適合于對(duì)成本和功率敏感型的應(yīng)用，采用總線架構(gòu)如先進(jìn)微控制總線構(gòu)架（AMBA）。S3C2440A 的突出特點(diǎn)是其處理器核心由Advanced RISC Machines（ARM）公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM920T的RISC處理器。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB指令高速緩存和16KB數(shù)據(jù)高速緩存。這里微處理器S3C2440A的存儲(chǔ)單元包括一個(gè)64M的SDRAM、一個(gè)2M的NOR FLASH和一個(gè)256M的NAND FLASH。SDRAM的型號(hào)為K4S561632C-TC75，其作用是為程序提供一個(gè)運(yùn)行的虛擬內(nèi)存，但不能保存數(shù)據(jù)，掉電即丟失。NOR FLASH的型號(hào)為 SST39VF1601，其主要存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的Bootloader（引導(dǎo)程序），一般該單元燒寫引導(dǎo)代碼后不經(jīng)常改動(dòng)。NAND FLASH的型號(hào)為K9F2G08，其主要功能是用來(lái)存儲(chǔ)燒入的程序代碼，掉電不丟失。其連接示意圖如圖3所示：

圖3 S3C2440A存儲(chǔ)單元示意圖

2.2 圖像采集的具體實(shí)現(xiàn)

圖像傳感器采用的型號(hào)為OV7620，OV7620屬于CMOS圖像傳感器，由它組成的圖像采集系統(tǒng)，比較常見(jiàn)的有：OV7620搭配OV5ll+、CPLD或FPGA。OV511+、CPLD或FPGA采集的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)USB 總線或雙端口RAM 輸出到PC或MCU（ARM、DSP等），由PC或MCU對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的處理。本文所設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)僅用一個(gè)ARM芯片就實(shí)現(xiàn)了OV7620 的功能配置、時(shí)序同步、數(shù)據(jù)采集與處理等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊實(shí)用。OV7620的供電電壓為5V，直接在ARM板子上取電。用到的引腳有：數(shù)字信號(hào)輸出Y0...Y7，奇偶場(chǎng)信號(hào)FOOD，像素同步信號(hào)PCLK，行信號(hào)HREF，場(chǎng)信號(hào)VSYNC，芯片復(fù)位引腳RST，模擬信號(hào)輸出VTO（用于調(diào)試對(duì)焦），SCCB讀寫引腳SCL、SDA，電源引腳VCC（+5V）、GND，一共18個(gè)管腳。由于S3C2440A的特殊性，其引腳中集成有對(duì)應(yīng)的攝像頭引腳，且和OV7620要用到的引腳正好一一對(duì)應(yīng)，只需對(duì)應(yīng)接上即可，然后就可進(jìn)行編程采集數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器采用的型號(hào)是AM2305，與單片機(jī)之間采用IIC通信，通過(guò)發(fā)送配置指令即可接收傳感器自動(dòng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。二氧化碳傳感器采用的型號(hào)是MG811，上電后通過(guò)采集輸出引腳的電壓值，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二氧化碳濃度值即可得到真實(shí)的數(shù)值。一氧化碳傳感器采用的型號(hào)是MQ-9，MQ-9氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫（1.5V加熱）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）檢測(cè)可燃?xì)怏w甲烷、丙烷并清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。通過(guò)S3C2440A采集輸出引腳的電壓值，然后轉(zhuǎn)換為一氧化碳濃度即可。另外類似的傳感器還有天然氣傳感器、空氣質(zhì)量傳感器。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采集到上述數(shù)據(jù)后需要經(jīng)過(guò)一定的處理才能進(jìn)行傳送，這里對(duì)每一個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，包括前導(dǎo)符和標(biāo)識(shí)符的標(biāo)識(shí)。由于數(shù)字圖像傳感器采集的數(shù)據(jù)量比較大，這里必須對(duì)其進(jìn)行壓縮處理，采用DCT壓縮方法，其處理流程如圖4所示[5]：

圖4 數(shù)字圖像壓縮流程圖

8X8的DCT和IDCT表達(dá)式為：

（式1）

經(jīng)過(guò)上述壓縮算法，采集多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)下式即可計(jì)算出壓縮比，其中LS為原數(shù)據(jù)量，Ld為壓縮之后的數(shù)據(jù)量：

（式2）

可計(jì)算出壓縮比的大致范圍為：75.4%～ 91.1%。當(dāng)對(duì)每個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后即可傳送給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

圖5 ZigBee監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Zigbee協(xié)議棧是一組基于IEEE 802.15.4的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它采用分層結(jié)構(gòu)，根據(jù)開(kāi)放式通信系統(tǒng)互聯(lián)模型，具有物理層（PHY）、媒體介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義物理層和媒體介質(zhì)訪問(wèn)層[6-8]。CC2430/CC2431單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的一款專用于IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的片上系統(tǒng)解決方案。芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430/CC2431休眠模式和主動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。CC2430與CC2431的區(qū)別在于：CC2431有定位跟蹤引擎，CC2430無(wú)定位跟蹤引擎，在外觀上CC2430與CC2431完全一樣。

ZigBee礦井綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸部分的主要硬件是圍繞核心芯片CC2430/CC2431搭建的一套開(kāi)發(fā)板，并在開(kāi)發(fā)板上預(yù)留足夠的外部接口引腳。由于CC2430與CC2431引腳互相兼容，所以CC2430的PCB設(shè)計(jì)同樣適用于CC2431。本系統(tǒng)的參考節(jié)點(diǎn)（RefNode）采用CC2430芯片，定位節(jié)點(diǎn)即盲節(jié)點(diǎn)（BlindNode）采用CC2431芯片，這兩種設(shè)備的芯片外圍設(shè)計(jì)（PCB模塊設(shè)計(jì)）是完全一致的。如圖5所示，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)放置若干個(gè)CC2430模塊作為參考節(jié)點(diǎn)，在其中一個(gè)或幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)上連接一套環(huán)境信息采集設(shè)備，一個(gè)代替定位目標(biāo)的CC2431模塊作為定位節(jié)點(diǎn)，即可構(gòu)成一個(gè)ZigBee無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)最終通過(guò)協(xié)調(diào)器和計(jì)算機(jī)連接，組成一個(gè)完整的ZigBee無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

表1 數(shù)據(jù)傳輸誤碼率試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)次數(shù) 發(fā)送字節(jié)數(shù) 接收字節(jié)數(shù) 誤碼率

20 100 100 0

20 2000 2000 0

20 10000 10000 0

20 20000 20000 0

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)上述設(shè)計(jì)搭建的監(jiān)控系統(tǒng)，最主要的一點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，下面通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方案的傳輸誤碼率。由表1可以看出，當(dāng)發(fā)送的字節(jié)數(shù)在20000以下時(shí)，誤碼率為0，可見(jiàn)搭建的系統(tǒng)是可行的。

5.總結(jié)

本文主要搭建了一個(gè)煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)。采用高性能微處理器S3C2440A來(lái)收集井下節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定的處理后，通過(guò)ZigBee技術(shù)搭建的傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終在上位機(jī)控制端實(shí)現(xiàn)顯示和控制功能。結(jié)果表明該方案是可行的，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)已在具體煤礦環(huán)境中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，對(duì)于減小煤礦井下的事故發(fā)生率、實(shí)現(xiàn)智能化管理有很好的效果。

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作者簡(jiǎn)介：衛(wèi)文慧（1983―），男，安徽無(wú)為人，工程師，主要從事礦用安全儀器儀表、監(jiān)控系統(tǒng)、有線/無(wú)線通信、救生艙的研究和檢驗(yàn)工作。