巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 李巖巖 汪 新 任玲芝

基于無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 李巖巖 汪 新 任玲芝

本文給出了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的、靈活的關(guān)于地下礦山工人安全的解決方案。通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)Zigbee，將基于傳感器的MEMS模塊應(yīng)用于地下環(huán)境的監(jiān)測(cè)與測(cè)量中，使整個(gè)系統(tǒng)更可靠，更容易控制，更精確。其中，利用單片機(jī)收集數(shù)據(jù)，判斷出危險(xiǎn)地域，并通過(guò)警報(bào)以及語(yǔ)音系統(tǒng)通知其中的礦工。通過(guò)帶有麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器語(yǔ)音系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并與地面控制中心進(jìn)行有效的無(wú)線通信。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，能有效的避免更多潛在危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；ZigBee

1.引言

工業(yè)安全是行業(yè)的主要內(nèi)容之一， 特別在礦業(yè)中，保證礦業(yè)安全生產(chǎn)非常重要。為避免不希望發(fā)生的災(zāi)難事故，所有礦業(yè)都會(huì)進(jìn)行一些基本的防范與安全措施。為了避免財(cái)產(chǎn)的損失和人身的傷害，保護(hù)系統(tǒng)以及可靠的通信系統(tǒng)在地下礦道里是非常必要的。因此，必須在礦井中移動(dòng)的工人與固定的基站之間建立可靠的通信以提高煤礦安全性和生產(chǎn)力。由于礦井中的特殊環(huán)境，有線的通信手段不是非常有效，傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的可靠性和長(zhǎng)壽命在惡劣的開(kāi)采環(huán)境一直是個(gè)問(wèn)題。此外，有線通信網(wǎng)絡(luò)在礦井中的安裝成本和維護(hù)成本也非常高，有線通信系統(tǒng)在滑坡或由于其他原因造成損壞之后，在礦井中重新安裝的是非常困難的。為了準(zhǔn)確檢測(cè)溫度，壓力，可燃及有毒氣體，及時(shí)追蹤到地下礦工和礦車，需要改善礦井監(jiān)控系統(tǒng)，這對(duì)保證安全生產(chǎn)和煤礦災(zāi)難時(shí)的救援具有重大的意義[1]。

論文[2]提出煤礦鏈路型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成：傳感節(jié)點(diǎn)，群集的頭節(jié)點(diǎn)以及連接兩者的基站，通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)就可以定期監(jiān)測(cè)地下礦道的環(huán)境以及定位礦工。論文[3]提出基于多傳感器信息融合的新決策方法，用于預(yù)測(cè)煤礦瓦斯爆發(fā)。多傳感器信息融合方法中應(yīng)用了兩個(gè)技術(shù)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)融合理論，而改進(jìn)的模糊集的組合規(guī)則被應(yīng)用于決策融合。但是，這些通信方法中的特定技術(shù)都缺乏在地下礦山的實(shí)際應(yīng)用。

為了成功傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)，在這個(gè)系統(tǒng)中我們使用 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee規(guī)范因?yàn)槠涔慕档烷_(kāi)發(fā)成本低，被許多制造商結(jié)合在他們的設(shè)備中。在本文中，基于Zigbee的數(shù)據(jù)融合技術(shù)被使用于無(wú)線傳輸和接收數(shù)據(jù)。

2.煤礦無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

煤礦無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)可以被分為兩部分。首先是裝配于煤礦工人身體上的硬件電路，它最好配備于工人的安全帽中。這個(gè)電路由一些基于傳感器技術(shù)的MEMS模塊組成，可快速測(cè)量像環(huán)境溫度、濕度和甲烷、一氧化碳這類有害氣體濃度這樣的地下參數(shù)。單片機(jī)通過(guò)傳感器采集地下環(huán)境參數(shù)，一旦超過(guò)在單片機(jī)中預(yù)先編入的安全數(shù)值[4]，單片機(jī)控制與之連接的揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。同時(shí)這些環(huán)境參數(shù)信息將以緊急通知和警報(bào)的形式通過(guò)zigbee發(fā)送給地面控制終端。單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸就是通過(guò)兩個(gè)單獨(dú)的模塊即 ZigBee傳輸模塊到數(shù)據(jù)收集器/接收器模塊。

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中使用的單片機(jī)是PIC16F877A，工作頻率20MHz、5個(gè)輸入輸出端口、8個(gè)A/D輸入通道和368 bytes 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。如圖1所示，數(shù)據(jù)接收終端 Zigbee_RX和數(shù)據(jù)傳輸終端ZigBee_TX 交叉連接到對(duì)應(yīng)的單片機(jī)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)終端發(fā)出數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

ZigBee模塊中使用的接口板，符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該模塊低成本，低功耗、可靠的20針設(shè)備并帶有2.4GHZ工作頻帶。它可在30-100米的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到250000bps。ZigBee模塊有五種運(yùn)行模式，在沒(méi)有收到或傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，RF模塊運(yùn)行在空閑模式下，處于其他不同條件時(shí)，RF模塊將轉(zhuǎn)移到其他操作模式下。在傳輸模式下接收的串行數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)輸入DI緩沖區(qū)中，直到它可以被處理的。當(dāng)DI緩沖區(qū)達(dá)到17字節(jié)即將溢出時(shí)，CTS（高位）將重復(fù)向主機(jī)設(shè)備發(fā)送信號(hào)以阻止的繼續(xù)輸入數(shù)據(jù)，如圖2所示。當(dāng)CTS不斷發(fā)出信號(hào)時(shí)，DI緩沖區(qū)還有34字節(jié)的內(nèi)存可用。選擇傳輸較少的數(shù)據(jù)或選擇低波特率為避免這種溢出的狀態(tài)。在接收模式下，有效的RF數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)天線接收的。當(dāng)接收到RF數(shù)據(jù)時(shí)，輸入到數(shù)據(jù)輸出DO 緩沖區(qū)并發(fā)送到主機(jī)設(shè)備的串行端口中。一旦DO緩沖區(qū)溢出，任何其他傳入的RF數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。若RTS（硬件流量控制）可控制流量，一旦RTS發(fā)出阻止信號(hào)數(shù)據(jù)將不會(huì)被發(fā)送出到DO緩沖器。當(dāng)RF模塊不使用時(shí)，睡眠模式啟用，即進(jìn)入低功率消耗時(shí)段，這個(gè)時(shí)間段ST為預(yù)先定義，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)既不傳輸數(shù)據(jù)也不接收數(shù)據(jù)。若想修改或讀取RF模塊的參數(shù)，模塊必須首先進(jìn)入命令模式，在這種模式下，輸入的字符會(huì)被翻譯為命令。

圖2　ZigBee模塊連接

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要特征是易實(shí)施、低功耗、低成本[5]。ZigBee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層，IEEE 802.15.4定義了兩個(gè)種設(shè)備：完整功能的設(shè)備（FFD）和精減功能設(shè)備(RFD)。FFD有協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的功能，因此有所有其他設(shè)備的訪問(wèn)權(quán)限。RFD僅限于一個(gè)星形拓?fù)渑渲?，不能夠作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員工作，所以它沒(méi)有全部協(xié)議服務(wù)權(quán)限。FFD和RFD設(shè)備能在三個(gè)不同 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)方式下工作，即ZigBee協(xié)調(diào)員（ZC）、ZigBee 路由器（ZR）或ZigBee終端設(shè)備（ZED）。網(wǎng)絡(luò)層支持三個(gè)拓?fù)洌盒切危瑯?shù)形和網(wǎng)狀如圖3中所示。星型拓?fù)浒▍f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)與ZC通信的FFD或RFD。

圖3　Zigbee的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在樹(shù)形拓?fù)渲?，在ZC和ZR的設(shè)備中能增加網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的范圍。在網(wǎng)狀拓?fù)渲校現(xiàn)FD可以直接分發(fā)信息給其他FFD，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，每個(gè)設(shè)備都能接收到ZR或ZC給出的地址。

圖4　發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的范圍測(cè)試

4.數(shù)據(jù)管理軟件

數(shù)據(jù)管理軟件的開(kāi)發(fā)是為了監(jiān)測(cè)到可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)與警報(bào)信號(hào)，并得到一個(gè)有效管理的交互界面。這個(gè)軟件使用Visual Basic進(jìn)行編程，這有助于形成圖形用戶界面。它可以顯示條形圖、表格和圖形中的參數(shù)。此外，它也將生成并參數(shù)的打印報(bào)告。地面控制PC接收到的不同環(huán)境參數(shù)也以不同的形式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕中，參數(shù)包括溫度，濕度、甲烷和一氧化碳的氣體濃度等等。計(jì)算機(jī)把參數(shù)存儲(chǔ)在硬盤中，地面工作人員可以選擇任何參數(shù)錄制和回放。當(dāng)發(fā)現(xiàn)收到的數(shù)據(jù)有超過(guò)事先設(shè)定的參數(shù)限制時(shí)，單片機(jī)就會(huì)控制報(bào)警器及時(shí)響起，地面控制中心的計(jì)算機(jī)就會(huì)給出警報(bào)處的位置圖像。地面工作人員根據(jù)所收到的警報(bào)做出決策，并建立與地下工人語(yǔ)音通信，向他們發(fā)出警報(bào)，并根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)情況和地下的工人語(yǔ)音通訊中獲取的信息，采取相應(yīng)控制和安全措施。圖4是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的范圍測(cè)試結(jié)果，圖5是ZigBee模塊實(shí)物圖。

圖5　帶有天線的ZigBee模塊用作發(fā)射機(jī)

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)監(jiān)視和安全系統(tǒng)可有效的取代傳統(tǒng)的煤礦安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)可覆蓋地下礦井中更大更深的區(qū)域，從而有效控制和避免更多潛在的危險(xiǎn)。該系統(tǒng)結(jié)合了低功耗、低成本的，高效無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)Zigbee，以及基于小型傳感器的MEMS模塊，傳感器和zigbee模塊可以安裝在煤礦工人的頭盔上。工人及地面工作人員之間合理的監(jiān)測(cè)和對(duì)話的實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件采取更迅速，更恰當(dāng)?shù)男袆?dòng)起到了很大的幫助。在未來(lái)，該系統(tǒng)還可以輕松地?cái)U(kuò)展上ZigBee無(wú)線圖像傳輸設(shè)備；它將極大的改善地下環(huán)境的可測(cè)性以及礦工的位置精確性。

[1]Y.P.Zhang, G.X.Zheng,“Radio Propagation at 900 MHz in Underground Coal Mines”, IEEE transactions on antennas and propaga tion,2001,vol.49(5):752-62.

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[3]X.Ma,Y.Miao,Z.Zhao,H.Zhang,J.Zhang,“A novel approach to Coal and Gas Outburst Prediction Based on Multi-sensor Information Fusion”, Proc. IEEE international conference on automation and logistics,2008:1613-1813.

[4]于海斌,曾鵬,梁韡.智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].科學(xué)出版社,2006:1-10.

[5]李慧宗,葛兵,王向前.ZigBee技術(shù)在礦井安全監(jiān)控技術(shù)中應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2011.5:206-207.

巢湖學(xué)院校級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（XLY-201506）；巢湖學(xué)院校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（ch15kcjgxm08）；安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2015jyxm322）；巢湖學(xué)院校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（ch14yykc04）。

李巖巖（1986－），女，安徽阜陽(yáng)人，巢湖學(xué)院教師，主要從事自動(dòng)控制技術(shù)的研究。