基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统研究与开发
2008-12-19
作者：邵舒渊, 卢选民
摘 要： 利用无线传感网络技术和基于Intel Celeron嵌入式处理器的GENE-8310平台设计了一个新型的煤矿安全监测" title="安全监测">安全监测与预警系统。该系统利用瓦斯气体浓度、温度、湿度等传感器，通过无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络完成矿井环境监测" title="环境监测">环境监测、数据处理传送等任务；利用嵌入式GENE-8310平台对移动节点的信息进行数据汇聚及数据分析，并自动生成可视化曲线图表和超限警报提示，实现运用现代高科技技术手段来遏制煤矿矿难事故发生的目的。
关键词： 无线传感器网络; 安全监测; 嵌入式系统; 多跳路由; 超限报警
无线传感器网络技术是最近几年发展起来的新兴技术领域。它综合了传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术、网络无线电、网络通信技术和分布式信息处理技术等，能够通过各类微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种监测对象的各种信息，这些信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，如在国防军事、工业监控、农林牧业生产过程监控、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、治安反恐、危险区域远程控制等许多重要领域。
我国是一个煤炭大国，然而与世界各主要产煤国家相比，我国的煤炭主要依靠井工开采，而且高瓦斯矿井多，瓦斯事故多发，死亡人数所占比例最大。因此, 监测井下" title="井下">井下瓦斯浓度, 把瓦斯浓度控制在安全范围内, 是避免矿井事故的主要手段。
现有的煤矿井下有线监测体系只能延伸到煤矿的巷道内，与工人生命息息相关的采煤区的作业面依然是一个监测盲区。如何对井下工人作业面的环境信息进行采集，通过无线的方式传送给管理人员，成为一个亟待解决的问题。这个问题实际上是嵌入式系统和无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）两个领域的结合点。构建这样一个控制管理系统，需要使用无线传感器网络来完成瓦斯信息的收集和发送，以及相关控制信息的发送，使用嵌入式系统对采集的数据进行分析、处理及显示等。
本文研究的主要问题就是如何利用无线传感网络技术和基于Intel Celeron嵌入式处理器的GENE-8310平台构建一个新型的煤矿安全监测与预警系统。
1 煤矿环境监测WSN系统总体结构
基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统在继承了无线传感器网络的自动感知、自动组网、多跳中继传递等特性的同时，充分考虑到了煤矿井下的实际情况。如图1所示，该系统主要由以下五个部分构成：
(1)移动无线传感器网络节点" title="无线传感器网络节点">无线传感器网络节点：由井下矿工携带，电池供电，带有探测瓦斯浓度等环境质量监测传感器，具有无线传输数据的功能，并在环境监测数据超标时自动报警。每个移动节点提供一个唯一的编号，用以确定携带者的身份、位置等信息。
(2)固定无线传感器网络节点：按一定的间距固定在支巷道道壁上，具有环境数据和无线传输数据的功能；并在环境监测数据超标时自动报警。每个固定节点的位置需要在计算机数据库中备案，以此为固定坐标点用以确定运动节点的坐标位置。
(3)基站接收机节点:安装在主巷道内，接收固定式无线传感器网络节点的数据, 并通过通信电缆将数据传输给信息收集数据库服务器。
(4)信息收集数据库服务器:收集处理数据, 将数据储存到数据库，并随时向监控部门提供及时准确的井下环境数据。
(5)监控台:监控人员操作台，以图形方式实时监测井下全部无线传感器节点，显示每个节点当时的环境参数，具有瓦斯超限报警等环境超限报警功能。
2 无线传感器网络节点硬件设计
无线传感器网络节点的硬件由传感器模块、处理模块、无线通信模块和电源供应模块四个部分组成。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等，如图2所示。
(1) 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换。
(2) 处理模块负责控制整个传感器节点的处理操作、存储并处理本身采集的数据和其他节点发来的数据，包括数据安全、通信协议、同步定位、功耗管理、任务管理等。处理器模块使用ATMEGA128单片机作为控制器和处理核心，相对于其他通用的8位微控制器，ATMEGA128具有非常丰富的资源和更低的功耗，具有128KB的片内Flash程序存储器，4KB的SRAM数据存储器(可外扩到64KB)和4KB的E2PROM以及丰富的对外接口。ATMEGA128的驱动时钟使用频率为7.372 8MHz的晶振，另外还配置了一个频率为32.768kHz的晶振作为计数器的外部时钟。
(3)无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据。无线通信模块核心采用工作在433MHz下的单芯片低电压CC1000收发器。该射频芯片具有工作电压低（2.1V～3.6V）﹑能耗低﹑体积小等非常适合于集成的特点。它采用FSK调制方式，外部采用SPI接口，可以和微控制器直接相联。CC1000使用频率为14.745MHz的晶振作为驱动，在该驱动下CC1000可以提供的最大数据传输率为19.2Kb/s(每毫秒不到3个字节)，这个数据对MAC层的协议是很有用的，在设置ACK等待时间和RTS-CTS等待时间时这是需要考虑的重要参数。
(4)电源供应模块为传感器节点提供运行所需的所有电源。
考虑到各种不同的应用场合中需要采集的模拟量千差万别,对于传感器模块，系统选用了一些当今应用中最为常见的传感器，设计了拥有通用接口的传感器子模块。传感器电路部分设计采用power gating技术以便可在无采集数据任务时降低功耗。
光敏电阻和热敏电阻的封装都比较小巧，而且基本上不需要额外的变送部分就可以送到处理器的ADC输入端进行采样。不过光敏电阻和热敏电阻本身的特性曲线不一定是线性的，用ADC测量后的结果需要将特性曲线进行校正。
3 基于GENE-8310的WSN分析与管理平台MESH
在WSN中，大量的无线自主节点相互协作分工，完成数据采集、处理和传输的功能。从微观角度看，WSN节点状态的获取难度远远大于普通网络节点；从宏观角度看，WSN网络的运行效率和性能也比一般网络难以度量和分析。因此，WSN的分析与管理是WSN研究和应用中的一个重点和难点。正是出于这种考虑，本文开发了基于GENE-8310平台的WSN分析与管理平台MESH。
GENE-8310采用板载Intel Celeron 1.3GHz或移动Intel Celeron 600MHz超低电压的CPU和Intel 852GM+82801DB（ICH4）芯片组，系统内存为SDRAM DIMM×1，最大为1GB（DDR266），可以广泛地应用于不同的领域。GENE-8310支持CRT、LCD、DVI和TV-OUT等，拥有极佳的图形处理能力，能满足用户的多种需求。
图3为MESH管理平台的总体框架。无线传感器网络的各种数据从节点汇聚到基站，然后通过串口送到MESH平台，MESH平台再对收集到的数据集进行可视化处理。MESH平台包括串口监听模块、MAC层分析模块、网络层分析模块，传感数据分析模块、数据库管理模块以及数据处理模块等主要模块。MESH平台提供了多种形式的用户接口，包括拓扑树、节点分布、实时曲线、数据查询以及节点列表等，可以满足用户在分析和管理WSN时的各种需求。
4 系统实现
基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统目前已经完成了传感器网络节点的设计、互联互通和通信算法等，解决了节点组网等方面的技术性难题，完成了节点组网技术测试，并对节点电路进行了优化。节点电路已经能够以内嵌矿灯电源或者是独立形式进行工作。图4所示为完成的节点电路。
同时，初步完成的基于GENE-8310的WSN分析与MESH管理平台可以通过多种形式的用户接口，包括拓扑树、节点分布、实时曲线、数据查询以及节点列表等，实时地将各项环境监测数据呈现在管理者面前，进而形成全方位的煤矿安全监测与报警指挥体系。煤矿安全监测系统MESH管理平台如图5所示。
本文设计的煤矿安全监测与预警系统利用瓦斯气体浓度、温度、湿度等传感器，通过无线传感器网络完成矿井环境监测、数据处理传送等任务；利用嵌入式GENE-8310平台对移动节点的信息进行数据汇聚，进一步进行数据分析，并自动生成可视化曲线图表和超限报警提示，进而实现运用现代高科技技术手段来遏制煤矿矿难事故的发生。下一步，除了继续完善系统功能、进行煤矿的试验性安装测试之外，将主要集中在解决矿井复杂环境下的移动节点定位等问题上。
参考文献
[1] POLASTRE J R. Design and implementation of wireless sensor networks for habitat monitoring. University of California at Berkeley, 2003.
[2] http://www.tinyos.net/tinyos-1.x/doc/tutorial/lesson4.html.2005-03.
[3] 王春.无线网络协议的设计与仿真.成都:电子科技大学出版社,2004.
[4] 孙立民.无线传感器网络. 北京:清华大学出版社,2005.
[5] 项丽.无线传感器网络中移动节点接入问题研究.西安：西北工业大学,2005.
[6] 王福豹. 无线传感器网络中的自身定位系统和算法.软件学报,2005，(5).