摘 要： 利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于Intel Celeron嵌入式處理器的GENE-8310平臺設(shè)計了一個新型的煤礦安全監(jiān)測" title="安全監(jiān)測">安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用瓦斯氣體濃度、溫度、濕度等傳感器，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)" title="無線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成礦井環(huán)境監(jiān)測" title="環(huán)境監(jiān)測">環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理傳送等任務；利用嵌入式GENE-8310平臺對移動節(jié)點的信息進行數(shù)據(jù)匯聚及數(shù)據(jù)分析，并自動生成可視化曲線圖表和超限警報提示，實現(xiàn)運用現(xiàn)代高科技技術(shù)手段來遏制煤礦礦難事故發(fā)生的目的。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 安全監(jiān)測; 嵌入式系統(tǒng); 多跳路由; 超限報警
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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的新興技術(shù)領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)無線電、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種監(jiān)測對象的各種信息，這些信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應用前景，如在國防軍事、工業(yè)監(jiān)控、農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、治安反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多重要領(lǐng)域。
我國是一個煤炭大國，然而與世界各主要產(chǎn)煤國家相比，我國的煤炭主要依靠井工開采，而且高瓦斯礦井多，瓦斯事故多發(fā)，死亡人數(shù)所占比例最大。因此, 監(jiān)測井下" title="井下">井下瓦斯?jié)舛? 把瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi), 是避免礦井事故的主要手段。
現(xiàn)有的煤礦井下有線監(jiān)測體系只能延伸到煤礦的巷道內(nèi)，與工人生命息息相關(guān)的采煤區(qū)的作業(yè)面依然是一個監(jiān)測盲區(qū)。如何對井下工人作業(yè)面的環(huán)境信息進行采集，通過無線的方式傳送給管理人員，成為一個亟待解決的問題。這個問題實際上是嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）兩個領(lǐng)域的結(jié)合點。構(gòu)建這樣一個控制管理系統(tǒng)，需要使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成瓦斯信息的收集和發(fā)送，以及相關(guān)控制信息的發(fā)送，使用嵌入式系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理及顯示等。
本文研究的主要問題就是如何利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于Intel Celeron嵌入式處理器的GENE-8310平臺構(gòu)建一個新型的煤礦安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)。
1 煤礦環(huán)境監(jiān)測WSN系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)在繼承了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動感知、自動組網(wǎng)、多跳中繼傳遞等特性的同時，充分考慮到了煤礦井下的實際情況。如圖1所示，該系統(tǒng)主要由以下五個部分構(gòu)成：
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(1)移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點" title="無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點：由井下礦工攜帶，電池供電，帶有探測瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境質(zhì)量監(jiān)測傳感器，具有無線傳輸數(shù)據(jù)的功能，并在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超標時自動報警。每個移動節(jié)點提供一個唯一的編號，用以確定攜帶者的身份、位置等信息。
(2)固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點：按一定的間距固定在支巷道道壁上，具有環(huán)境數(shù)據(jù)和無線傳輸數(shù)據(jù)的功能；并在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超標時自動報警。每個固定節(jié)點的位置需要在計算機數(shù)據(jù)庫中備案，以此為固定坐標點用以確定運動節(jié)點的坐標位置。
(3)基站接收機節(jié)點:安裝在主巷道內(nèi)，接收固定式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù), 并通過通信電纜將數(shù)據(jù)傳輸給信息收集數(shù)據(jù)庫服務器。
(4)信息收集數(shù)據(jù)庫服務器:收集處理數(shù)據(jù), 將數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫，并隨時向監(jiān)控部門提供及時準確的井下環(huán)境數(shù)據(jù)。
(5)監(jiān)控臺:監(jiān)控人員操作臺，以圖形方式實時監(jiān)測井下全部無線傳感器節(jié)點，顯示每個節(jié)點當時的環(huán)境參數(shù)，具有瓦斯超限報警等環(huán)境超限報警功能。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和電源供應模塊四個部分組成。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等，如圖2所示。
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(1) 傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
? (2) 處理模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的處理操作、存儲并處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)安全、通信協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務管理等。處理器模塊使用ATMEGA128單片機作為控制器和處理核心，相對于其他通用的8位微控制器，ATMEGA128具有非常豐富的資源和更低的功耗，具有128KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，4KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器(可外擴到64KB)和4KB的E2PROM以及豐富的對外接口。ATMEGA128的驅(qū)動時鐘使用頻率為7.372 8MHz的晶振，另外還配置了一個頻率為32.768kHz的晶振作為計數(shù)器的外部時鐘。
??? (3)無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。無線通信模塊核心采用工作在433MHz下的單芯片低電壓CC1000收發(fā)器。該射頻芯片具有工作電壓低（2.1V～3.6V）﹑能耗低﹑體積小等非常適合于集成的特點。它采用FSK調(diào)制方式，外部采用SPI接口，可以和微控制器直接相聯(lián)。CC1000使用頻率為14.745MHz的晶振作為驅(qū)動，在該驅(qū)動下CC1000可以提供的最大數(shù)據(jù)傳輸率為19.2Kb/s(每毫秒不到3個字節(jié))，這個數(shù)據(jù)對MAC層的協(xié)議是很有用的，在設(shè)置ACK等待時間和RTS-CTS等待時間時這是需要考慮的重要參數(shù)。
??? (4)電源供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的所有電源。
??? 考慮到各種不同的應用場合中需要采集的模擬量千差萬別,對于傳感器模塊，系統(tǒng)選用了一些當今應用中最為常見的傳感器，設(shè)計了擁有通用接口的傳感器子模塊。傳感器電路部分設(shè)計采用power gating技術(shù)以便可在無采集數(shù)據(jù)任務時降低功耗。
光敏電阻和熱敏電阻的封裝都比較小巧，而且基本上不需要額外的變送部分就可以送到處理器的ADC輸入端進行采樣。不過光敏電阻和熱敏電阻本身的特性曲線不一定是線性的，用ADC測量后的結(jié)果需要將特性曲線進行校正。
3 基于GENE-8310的WSN分析與管理平臺MESH
在WSN中，大量的無線自主節(jié)點相互協(xié)作分工，完成數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)墓δ?。從微觀角度看，WSN節(jié)點狀態(tài)的獲取難度遠遠大于普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；從宏觀角度看，WSN網(wǎng)絡(luò)的運行效率和性能也比一般網(wǎng)絡(luò)難以度量和分析。因此，WSN的分析與管理是WSN研究和應用中的一個重點和難點。正是出于這種考慮，本文開發(fā)了基于GENE-8310平臺的WSN分析與管理平臺MESH。
GENE-8310采用板載Intel Celeron 1.3GHz或移動Intel Celeron 600MHz超低電壓的CPU和Intel 852GM+82801DB（ICH4）芯片組，系統(tǒng)內(nèi)存為SDRAM DIMM×1，最大為1GB（DDR266），可以廣泛地應用于不同的領(lǐng)域。GENE-8310支持CRT、LCD、DVI和TV-OUT等，擁有極佳的圖形處理能力，能滿足用戶的多種需求。
圖3為MESH管理平臺的總體框架。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種數(shù)據(jù)從節(jié)點匯聚到基站，然后通過串口送到MESH平臺，MESH平臺再對收集到的數(shù)據(jù)集進行可視化處理。MESH平臺包括串口監(jiān)聽模塊、MAC層分析模塊、網(wǎng)絡(luò)層分析模塊，傳感數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊等主要模塊。MESH平臺提供了多種形式的用戶接口，包括拓撲樹、節(jié)點分布、實時曲線、數(shù)據(jù)查詢以及節(jié)點列表等，可以滿足用戶在分析和管理WSN時的各種需求。
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4 系統(tǒng)實現(xiàn)
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)目前已經(jīng)完成了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計、互聯(lián)互通和通信算法等，解決了節(jié)點組網(wǎng)等方面的技術(shù)性難題，完成了節(jié)點組網(wǎng)技術(shù)測試，并對節(jié)點電路進行了優(yōu)化。節(jié)點電路已經(jīng)能夠以內(nèi)嵌礦燈電源或者是獨立形式進行工作。圖4所示為完成的節(jié)點電路。
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同時，初步完成的基于GENE-8310的WSN分析與MESH管理平臺可以通過多種形式的用戶接口，包括拓撲樹、節(jié)點分布、實時曲線、數(shù)據(jù)查詢以及節(jié)點列表等，實時地將各項環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在管理者面前，進而形成全方位的煤礦安全監(jiān)測與報警指揮體系。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)MESH管理平臺如圖5所示。
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本文設(shè)計的煤礦安全監(jiān)測與預警系統(tǒng)利用瓦斯氣體濃度、溫度、濕度等傳感器，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成礦井環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理傳送等任務；利用嵌入式GENE-8310平臺對移動節(jié)點的信息進行數(shù)據(jù)匯聚，進一步進行數(shù)據(jù)分析，并自動生成可視化曲線圖表和超限報警提示，進而實現(xiàn)運用現(xiàn)代高科技技術(shù)手段來遏制煤礦礦難事故的發(fā)生。下一步，除了繼續(xù)完善系統(tǒng)功能、進行煤礦的試驗性安裝測試之外，將主要集中在解決礦井復雜環(huán)境下的移動節(jié)點定位等問題上。
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