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(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的煤礦安全監(jiān)測(cè)" title="安全監(jiān)測(cè)">安全監(jiān)測(cè)與預(yù)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(cè)" title="環(huán)境監(jiān)測(cè)">環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理傳送等任務(wù)；利用嵌入式GENE-8310平臺(tái)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚及數(shù)據(jù)分析，并自動(dòng)生成可視化曲線圖表和超限警報(bào)提示，實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(cè); 嵌入式系統(tǒng); 多跳路由; 超限報(bào)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(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種監(jiān)測(cè)對(duì)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(yīng)用前景，如在國(guó)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(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、治安反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域。
我國(guó)是一個(gè)煤炭大國(guó)，然而與世界各主要產(chǎn)煤國(guó)家相比，我國(guó)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(cè)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(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)盲區(qū)。如何對(duì)井下工人作業(yè)面的環(huán)境信息進(jìn)行采集，通過無線的方式傳送給管理人員，成為一個(gè)亟待解決的問題。這個(gè)問題實(shí)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(gè)領(lǐng)域的結(jié)合點(diǎn)。構(gòu)建這樣一個(gè)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(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(tái)構(gòu)建一個(gè)新型的煤礦安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。
1 煤礦環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)在繼承了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)感知、自動(dòng)組網(wǎng)、多跳中繼傳遞等特性的同時(shí)，充分考慮到了煤礦井下的實(shí)際情況。如圖1所示，該系統(tǒng)主要由以下五個(gè)部分構(gòu)成：
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(1)移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)" title="無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：由井下礦工攜帶，電池供電，帶有探測(cè)瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器，具有無線傳輸數(shù)據(jù)的功能，并在環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)唯一的編號(hào)，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(diǎn)：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(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的位置需要在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中備案，以此為固定坐標(biāo)點(diǎn)用以確定運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。
(3)基站接收機(jī)節(jié)點(diǎn):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(diǎn)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(kù)服務(wù)器。
(4)信息收集數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器:收集處理數(shù)據(jù), 將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)，并隨時(shí)向監(jiān)控部門提供及時(shí)準(zhǔn)確的井下環(huán)境數(shù)據(jù)。
(5)監(jiān)控臺(tái):監(jiān)控人員操作臺(tái)，以圖形方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下全部無線傳感器節(jié)點(diǎn)，顯示每個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)時(shí)的環(huán)境參數(shù)，具有瓦斯超限報(bào)警等環(huán)境超限報(bào)警功能。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和電源供應(yīng)模塊四個(gè)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(dòng)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(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
? (2) 處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的處理操作、存儲(chǔ)并處理本身采集的數(shù)據(jù)和其他節(jié)點(diǎn)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(wù)管理等。處理器模塊使用ATMEGA128單片機(jī)作為控制器和處理核心，相對(duì)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(chǔ)器，4KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(可外擴(kuò)到64KB)和4KB的E2PROM以及豐富的對(duì)外接口。ATMEGA128的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘使用頻率為7.372 8MHz的晶振，另外還配置了一個(gè)頻率為32.768kHz的晶振作為計(jì)數(shù)器的外部時(shí)鐘。
??? (3)無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)。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(dòng)，在該驅(qū)動(dòng)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(gè)字節(jié))，這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)MAC層的協(xié)議是很有用的，在設(shè)置ACK等待時(shí)間和RTS-CTS等待時(shí)間時(shí)這是需要考慮的重要參數(shù)。
??? (4)電源供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的所有電源。
??? 考慮到各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合中需要采集的模擬量千差萬別,對(duì)于傳感器模塊，系統(tǒng)選用了一些當(dāng)今應(yīng)用中最為常見的傳感器，設(shè)計(jì)了擁有通用接口的傳感器子模塊。傳感器電路部分設(shè)計(jì)采用power gating技術(shù)以便可在無采集數(shù)據(jù)任務(wù)時(shí)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(jìn)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(cè)量后的結(jié)果需要將特性曲線進(jìn)行校正。
3 基于GENE-8310的WSN分析與管理平臺(tái)MESH
在WSN中，大量的無線自主節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作分工，完成數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)墓δ堋奈⒂^角度看，WSN節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的獲取難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；從宏觀角度看，WSN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)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(yīng)用中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。正是出于這種考慮，本文開發(fā)了基于GENE-8310平臺(tái)的WSN分析與管理平臺(tái)MESH。
GENE-8310采用板載Intel Celeron 1.3GHz或移動(dòng)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(yīng)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(tái)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(diǎn)匯聚到基站，然后通過串口送到MESH平臺(tái)，MESH平臺(tái)再對(duì)收集到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行可視化處理。MESH平臺(tái)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(kù)管理模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊等主要模塊。MESH平臺(tái)提供了多種形式的用戶接口，包括拓?fù)錁洹⒐?jié)點(diǎn)分布、實(shí)時(shí)曲線、數(shù)據(jù)查詢以及節(jié)點(diǎn)列表等，可以滿足用戶在分析和管理WSN時(shí)的各種需求。
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4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已經(jīng)完成了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、互聯(lián)互通和通信算法等，解決了節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)等方面的技術(shù)性難題，完成了節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)技術(shù)測(cè)試，并對(duì)節(jié)點(diǎn)電路進(jìn)行了優(yōu)化。節(jié)點(diǎn)電路已經(jīng)能夠以內(nèi)嵌礦燈電源或者是獨(dú)立形式進(jìn)行工作。圖4所示為完成的節(jié)點(diǎn)電路。
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同時(shí)，初步完成的基于GENE-8310的WSN分析與MESH管理平臺(tái)可以通過多種形式的用戶接口，包括拓?fù)錁?、?jié)點(diǎn)分布、實(shí)時(shí)曲線、數(shù)據(jù)查詢以及節(jié)點(diǎn)列表等，實(shí)時(shí)地將各項(xiàng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在管理者面前，進(jìn)而形成全方位的煤礦安全監(jiān)測(cè)與報(bào)警指揮體系。煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)MESH管理平臺(tái)如圖5所示。
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本文設(shè)計(jì)的煤礦安全監(jiān)測(cè)與預(yù)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(cè)、數(shù)據(jù)處理傳送等任務(wù)；利用嵌入式GENE-8310平臺(tái)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并自動(dòng)生成可視化曲線圖表和超限報(bào)警提示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(jìn)行煤礦的試驗(yàn)性安裝測(cè)試之外，將主要集中在解決礦井復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位等問題上。
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