王 昆，張 偉

(1. 西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710077； 2. 西安文理學(xué)院 陜西省表面工程與再制造重點實驗室，陜西 西安 710065)

在人為或自然因素的影響下，煤礦開采易引發(fā)地面塌陷、地裂縫、滑坡、煤層與煤矸石自燃、煤與瓦斯突出、瓦斯與煤塵爆炸、有害井水排放以及固體廢棄物堆放等諸多環(huán)境問題，嚴(yán)重影響礦區(qū)居民建筑物與耕作農(nóng)田、地表水與地下水、井巷與井下設(shè)施以及大氣環(huán)境等，威脅人們的正常生活與生產(chǎn)甚至安全，亦對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生制約。通常，礦區(qū)都較為空曠，人口密度小，電力等能源供給設(shè)施不多，要想進(jìn)行對整個礦區(qū)予以覆蓋的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的搭建存在很大的難度?；趥鞲衅鞯男⌒突?、智能化與廉價化發(fā)展背景，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在不斷提高自身的性能，它具有網(wǎng)絡(luò)自組織性、傳感器類型多樣性與便于實時監(jiān)控[1]等特征，與其他傳統(tǒng)方法相較優(yōu)勢明顯。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)受到人們的關(guān)注，將其應(yīng)用于礦山環(huán)境監(jiān)測中必將有利于煤礦采集工作的順利與安全開展。

1 系統(tǒng)需求分析

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)屬于一種典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，主要借助傳感器節(jié)點中內(nèi)置的傳感器件對礦山的溫度、濕度、粉塵、一氧化碳以及氧氣等信號進(jìn)行測量。文章進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計需對以下要求予以滿足[2]：

1.1 功能要求

1)對大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境等各項參數(shù)進(jìn)行實時與準(zhǔn)確的采集及傳輸；

2)可在礦山進(jìn)行安全且有效的紅外防護(hù)柵欄的構(gòu)造；

3)可安全、準(zhǔn)確與實時地將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)管理系統(tǒng)，為系統(tǒng)的存儲、查詢、分析、處理以及顯示等工作提供便利。

1.2 性能要求

1)實時性，礦區(qū)通常有較大的環(huán)境參數(shù)變化率，為了對礦山環(huán)境信息予以及時掌握，預(yù)防政策的滯后性，系統(tǒng)應(yīng)滿足實時性要求；

2)穩(wěn)定性，環(huán)境狀況的監(jiān)測是需要長期進(jìn)行的，為了確保各項功能的正常使用，系統(tǒng)應(yīng)能夠長時間與穩(wěn)定地運行；

3)安全性，為了確保礦產(chǎn)資源的安全性，避免地質(zhì)災(zāi)害、國有資源流失等的發(fā)生，系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行紅外傳感器的安裝，構(gòu)造礦山紅外柵欄，實現(xiàn)對礦山資源安全的有效保護(hù)；

4)友好性，為了讓用戶使用的舒心，系統(tǒng)界面要簡潔與直觀，保證按鈕的美觀性以及名稱標(biāo)注的清晰性。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本質(zhì)上看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)中的資源極度受限。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，存在很多無線自主節(jié)點的相互協(xié)作與分工，它們共同執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)娜蝿?wù)。在當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景下，科學(xué)借鑒與吸收國內(nèi)外的先進(jìn)研究成果，充分結(jié)合礦山的實際狀況，文章研究了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，圖1所示為其總體結(jié)構(gòu)。

由圖1可知，礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有層次性，大致由3部分內(nèi)容共同組成，分別為傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點以及遠(yuǎn)程控制中心[3]。無線傳感器節(jié)點位于最底層，在監(jiān)測環(huán)境終端部署，對礦山環(huán)境的溫度、濕度、振動加速度、粉塵等進(jìn)行實時采集，在利用傳感器節(jié)點中自帶的微處理器對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與加工之后，節(jié)點會借助ZigBee通信完成對自組織網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。之后，以多跳的方式與群內(nèi)各節(jié)點相互配合，發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)于匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)對終端無線傳感器執(zhí)行控制操作，履行對網(wǎng)絡(luò)的啟動、對采樣周期的修改以及對故障的處理與修復(fù)等職責(zé)。再然后，進(jìn)行Mesh網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備將數(shù)據(jù)匯聚起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)包中有用信息的提取與存儲。最后將它們統(tǒng)一發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心；遠(yuǎn)程控制中心在接收到經(jīng)過一系列處理的環(huán)境數(shù)據(jù)之后，選擇性地對它們執(zhí)行存儲、顯示與分析等操作。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦山環(huán)境監(jiān)測中的適用性，傳感器各組成節(jié)點必須滿足可靠與高效的運行要求，設(shè)計過程中必須加強(qiáng)對小型化、低成本、微功耗設(shè)計原則的重視。作為一種微型的嵌入式系統(tǒng)，傳感器節(jié)點所履行的職責(zé)并非傳送原始數(shù)據(jù)于網(wǎng)關(guān)，其真正功能在于傳送所需要處理的數(shù)據(jù)。通常情況下，一個功能齊全的傳感器節(jié)點至少由5部分組成：控制器、存儲器、傳感器與執(zhí)行器、通信設(shè)備以及電源，若想賦予傳感器節(jié)點更加強(qiáng)大的功能，還要對其定位系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及電源再生模塊[4]等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計。圖2所示為傳感器節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)圖。

圖2 傳感器節(jié)點體系結(jié)構(gòu)

與煤礦行業(yè)的實際生產(chǎn)與運營特征相結(jié)合，文章圍繞傳感器節(jié)點的幾大核心部件進(jìn)行針對性設(shè)計。

3.1 控制器模塊設(shè)計

控制器的選擇不能一味追求性能，在先進(jìn)技術(shù)的不斷推動下，微控制器的運行速度越來越快，性能也越來越高，但與之伴隨的是功耗的日益增加。復(fù)雜的微控制器通常有較高的集成度，功能大多完善，但是片內(nèi)晶體管的數(shù)量比較多，總漏電流也很大，就算是在休眠或空閑狀態(tài)下，同樣不能忽視其漏電流狀況；反之，低速的微控制器功耗與成本均不會太高。加之微控制器的選擇應(yīng)對休眠功能進(jìn)行考慮，在休眠模式下，微控制器的功耗能夠降低3～5個數(shù)量級。故系統(tǒng)對ATMEL公司推出的AVR系列的ATmega128L單片機(jī)予以采用。ATmega128L體積小、功耗低、集成度高、運行速度快、成本低、外部接口多，而且具有睡眠模式，可短時間內(nèi)被喚醒。

3.2 無線通信模塊設(shè)計

選用Chipcon公司推出的CC2420芯片提供無線通信支持。CC2420有很高的集成度與靈敏度，工作電壓與功耗均不高，獲得廠商所提供的協(xié)議棧與開發(fā)套件的難度小。在運行過程中，CC2420的工作頻帶處于2.400～2.483 5 GHz的范圍內(nèi)，對IEEE802.15.4規(guī)范所要求的直接序列擴(kuò)頻方式予以采用，可達(dá)250 kb/s的數(shù)據(jù)速率與2 Mchip/s的碼片速率，調(diào)制方式為O-QPSK，滿足電流消耗低(其中RX為19.7 mA，TX為17.4 mA)、接收靈敏度高(-99 dBm)以及抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39 dB)的要求，內(nèi)部對VCO、LNA、PA與電源整流器進(jìn)行集成，供電電壓為低電壓(2.1～3.6 V)，容易同控制器接口進(jìn)行配置(4總線SPI接口)。

3.3 傳感器模塊設(shè)計

在系統(tǒng)的總功耗中，傳感器功耗所占的比例并不高，在進(jìn)行傳感器選擇之時應(yīng)優(yōu)先選擇耗電量小的，盡可能地排除磁電式、電容式等功耗大的傳感器。針對無需具體數(shù)字大小的開關(guān)等狀態(tài)量，可選擇電壓式開關(guān)、光電開關(guān)以及熔斷開關(guān)等傳感器[5]。

通過對傳感器電源的供電電路設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)處理，可實現(xiàn)對該模塊能量消耗的顯著降低。針對小電流式工作傳感器，可接受處理器I/O口的直接驅(qū)動，當(dāng)不使用此傳感器之時，對I/O口進(jìn)行輸入方式的設(shè)置，采用此種方式，外部傳感器不會有能量的輸入，進(jìn)而不存在能量上的消耗，例如，溫度傳感器DS18B20可對此種方式加以采用。

3.4 電源模塊設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)通常都布置在人煙不多或危險性比較高的區(qū)域，所以對于移動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，電源在系統(tǒng)中的作用十分關(guān)鍵，當(dāng)節(jié)點的電能被耗完之時，便需宣布壽命到期并退出網(wǎng)絡(luò)，由剩下的節(jié)點進(jìn)行重新組網(wǎng)。電源的設(shè)計工作應(yīng)首先對根據(jù)要求的方式儲能與供電進(jìn)行考慮，然后，參照目標(biāo)環(huán)境做出明確能源供給方式，決定到底是選擇太陽能還是風(fēng)能，亦或是選擇震動能。

為了良好地適應(yīng)傳感器體積小這一突出特征，文章選擇使用CR2354鋰電池。該類電池的額定工作輸出電壓為3 V，容量為350 mA·h。若在常溫狀態(tài)下運行，CR2354可保持2～3 V的工作電壓，持續(xù)的供電時間大于2個月。

4 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

4.1 上位機(jī)監(jiān)測與管控

上位機(jī)軟件的功能在于對數(shù)據(jù)的實時顯示、統(tǒng)計查詢、增刪記錄等進(jìn)行實時的監(jiān)測、管理與控制，主要涉及3部分工作：1)數(shù)據(jù)庫管理，該管理模塊的組成部分為數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫的功能在于數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器則為各模塊同數(shù)據(jù)庫之間的交互提供支持；2)系統(tǒng)管理，主要向用戶提供交互界面，方便其對數(shù)據(jù)的監(jiān)測與管理；3)數(shù)據(jù)處理，負(fù)責(zé)處理所接收到的數(shù)據(jù)，將其向系統(tǒng)管理模塊上傳。

上位機(jī)監(jiān)測與管控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)對C/S結(jié)構(gòu)予以采用，通訊機(jī)制為面向TCP/IP協(xié)議的Socket通訊機(jī)制，與SQL數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，使用Microsoft Visual C#語言進(jìn)行相關(guān)程序的編寫[6]。圖3所示為上位機(jī)監(jiān)測與管控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

4.2 下位機(jī)監(jiān)測與通信

下位機(jī)軟件的功能在于建立Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、采集與發(fā)送傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)以及無線通信模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)等。此環(huán)節(jié)程序?qū)I公司推出的Z_Stack協(xié)議棧予以采用，在IAR編譯環(huán)境下使用C#語言執(zhí)行開發(fā)任務(wù)。

圖3 上位機(jī)監(jiān)測與管控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

利用ZigBee進(jìn)行新網(wǎng)絡(luò)的組建遵循以下步驟：

1)若設(shè)備有ZigBee協(xié)調(diào)器能力且并未建立網(wǎng)絡(luò)連接，則由應(yīng)用子層向網(wǎng)絡(luò)層執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)原語的發(fā)起與建立任務(wù)；

2)網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)出能量檢測掃描原語；

3)MAC層對檢測協(xié)議所規(guī)定的信道能量進(jìn)行檢測，或者對物理層所默認(rèn)的有效信道的能量執(zhí)行檢測任務(wù)，之后以確認(rèn)原語的形式反饋具體的檢測結(jié)果，結(jié)果由網(wǎng)絡(luò)層接收；

4)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層接收到的檢測結(jié)果，對能量遞增的方式予以采用，網(wǎng)絡(luò)層執(zhí)行信道排序任務(wù)，排序過程中，剔除能量值不在規(guī)定范圍內(nèi)的信道，信道排序完成之后，等待后續(xù)的處理工作；

5)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出主動掃描原語，由MAC層接收，在信道列表中進(jìn)行其他ZigBee設(shè)備的查找；

6)通過確認(rèn)原語的方式，MAC層進(jìn)行查找結(jié)果的反饋，反饋結(jié)果由網(wǎng)絡(luò)層接收；

7)根據(jù)所查找的結(jié)果，由網(wǎng)絡(luò)層選擇符合要求的信道，在該信道中進(jìn)行新網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，之后，采用隨機(jī)方式選擇一個尚沒有在所選信道中使用過的PAN標(biāo)識符，保證標(biāo)識符的合法性；

8)針對新組建的網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)層選擇一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，之后將其賦值給MAC層的mac Short Address PIB；

9)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出個域網(wǎng)絡(luò)新建原語，由MAC層接收；

10)在啟動并確認(rèn)新建原語之后，MAC層將啟動狀態(tài)返回給網(wǎng)絡(luò)層；

11)網(wǎng)絡(luò)層最后將確認(rèn)原語返回給應(yīng)用子層。

圖4為ZigBee組建一個新網(wǎng)絡(luò)的流程圖。

圖4 新網(wǎng)絡(luò)組建流程

傳感器節(jié)點的功能為對數(shù)據(jù)進(jìn)行定時采集與發(fā)送、A/D運算、定時休眠等，同時，設(shè)置部分傳感器節(jié)點為路由節(jié)點，豐富路由的功能，以此達(dá)到數(shù)據(jù)的路由中繼目的。網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)與數(shù)據(jù)收發(fā)等功能通過CC2420芯片中的API函數(shù)來實現(xiàn)，對約定的報文格式予以遵循，完成數(shù)據(jù)向GPRS模塊的發(fā)送。圖5為GPRS的數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖。

5 結(jié) 語

與礦山環(huán)境監(jiān)測的實際需求相結(jié)合，研究與設(shè)計了一套基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)配合上位機(jī)監(jiān)測與管控系統(tǒng)，可對礦山環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程與實時監(jiān)測。運行結(jié)果顯示，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，可對復(fù)雜的礦山環(huán)境予以適應(yīng)，研發(fā)與運行成本低，對有線網(wǎng)絡(luò)布線難度大、節(jié)點安置不靈活、動態(tài)性差以及維護(hù)困難等不足予以彌補(bǔ)，可良好地應(yīng)用于礦山環(huán)境的監(jiān)測中。

圖5 GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)流程