尾礦大壩安全監測系統研究

摘 要:尾礦庫是維持礦山正常生產的必要設施也是金屬非金屬礦山的重大危險源。將ZigBee無線傳感器網絡技術應用于尾礦大壩安全監測系統中，依據當前尾礦庫大壩安全監測系統的監測方式，設計一套基于ZigBee技術的尾礦大壩安全監測系統及傳感器網絡節點，詳細描述了網絡的組建、監測系統的數據傳輸過程和網絡路由方式。

關鍵詞:尾礦;安全監測;CC2430;ZigBee

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-197-03

Research on Safety Monitoring System of Tailing Dams

ZHAO Zhijun，YAN Gaowei，XIE Keming

(Department of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024，China)

Abstract:Tailing dams are the necessary facilities to maintain regular production of mining，but they are the major dangerous sources of metal or nonmetal mines.According to the present monitoring methods，applying the technology of ZigBee wireless sensor networks to the safety monitoring system of tailing dams，designing the safety monitoring system of tailing dams based on the technology of ZigBee，designing the node of sensor networks，describing building of the networks，data transfer process of the monitoring system and the way of network router.

Keywords:tailing dams;safety monitoring;CC2430;ZigBee

尾礦庫是用以堆存金屬或非金屬礦山進行礦石選別后排出尾礦的場所[1]。尾礦庫事故造成的危害是世界各種事故災害中最嚴重的危害之一。近年來，在我國因尾礦庫垮壩造成的人員傷亡和有毒污染物泄露的事故已屢見不鮮，給人民群眾生命財產安全造成重大損失，對環境安全構成重大威脅[2]。因此使用現代科技手段設計一套監測系統來加強尾礦庫的安全監測，以便發現異常現象及時分析處理，從而減少尾礦庫的事故發生對維護人民生命財產，提高礦山企業經濟效益具有重要意義。

1 研究動態

目前尾礦大壩安全監測系統一般采用分布式監控模式，監測系統各監測點與中心控制站間采用有線方式連接。但是尾礦庫大壩安全監測的地域范圍廣，其線纜敷設是一項復雜的工程，并且監測測點的調整、擴充、維護不方便[3]。部分生產條件落后的尾礦庫對現場數據的采集仍由人工定期用傳統儀器到現場進行測量，安全監測工作量大，受天氣、人工、現場條件等許多因素的影響，存在一定的系統和人為誤差[4]，且不能及時監測尾礦庫的各項安全技術參數，這些都將影響尾礦庫的安全生產和管理水平。

ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4[5]的新興的短距離、低速率、低功耗、低成本和低復雜度的無線傳感器網絡新技術，主要應用于家庭、建筑自動化、消費類電子、工業控制和醫療傳感器等領域[6]。

本文將ZigBee無線傳感器網絡技術應用到尾礦大壩安全監測中，將傳感器采集的信息通過無線射頻的方式傳遞給網絡路由，并利用各路由節點轉發數據到尾礦大壩監控中心。這套方案充分利用了無線射頻傳輸的特點，采用支持ZigBee通信協議、成本低、功耗低的設備，具有實用性強、布線復雜度低優點，還大大降低了以往采用有線監測布線所需的成本，且測點擴充以及網絡維護簡單方便。

2 監控系統組成

根據尾礦庫大壩安全監測的要求，監測系統選擇浸潤線、庫水位、壩體變形和應力應變作為監測對象，構建基于ZigBee的傳感器節點，各傳感器節點與路由器協調器一起構成無線傳感器網絡。傳感器網絡組網結構圖如圖1所示。傳感器節點實現浸潤線深度、庫水位、壩體變形量和應力應變等物理數據的獲取，路由器實現數據由終端節點到協調器的轉發，協調器通過串口與上位機通信，上位機對數據進行分析和評價，從而實現對尾礦大壩各項安全指標的監控。

圖1 尾礦大壩安全監測傳感器網絡

3 監控系統設計

3.1 節點設計

根據在網絡中實現功能的不同，本系統將節點分為傳感器節點、路由器節點和協調器節點。按照監測物理量的不同，又將傳感器節點分為浸潤線監測節點、庫水位監測節點、應力應變監測節點和壩體變形監測節點。考慮到節點設計的簡單實用性和經濟性，同時考慮低功耗這一傳感器網絡的重要指標，統一采用TI公司的CC2430作為網絡節點、路由器和協調器。CC2430是一款符合IEEE 802.15.4標準的片上SoC ZigBee產品，CC2430除了包括RF收發器外，還集成了加強型8051MCU，32/64/128 KB的FLASH內存，8 KB的RAM，以及ADC，DMA，看門狗等[7]。

傳感器節點由信號采集部分和數據傳輸部分組成。信號采集部分主要是指采集尾礦大壩安全信息的傳感器，如應變計、水位計、雨量計、滲壓計、滲流計等。傳感器輸出的信號通過外設I/O輸入CC2430，并在CC2430內部實現采樣和A/D轉換，從而實現信號的采集過程。傳感器節點結構如圖2所示。

圖2 傳感器節點結構示意圖

3.2 網絡組建

本系統采用TI Z-stack[8]協議棧，網絡的組建采用Cluster-tree[9]路由結構，網絡路由器作為簇首，可以實現數據的匯聚和網絡路由的功能。首先由網絡協調器開始初始化過程，通過掃描空信道從而建立一個新的網絡。找到空的信道后，協調器將選擇一個隨機的PAN ID開始偵聽該信道，從而建立一個新的網絡。協調器完成網絡的初始化后就開始監聽網絡信號，準備隨時響應來自傳感器和路由器的加入網絡請求。收到入網請求后協調器向傳感器節點和路由器節點分配網絡中惟一的16位短地址，并等待確認，在收到地址確認幀后，網絡的組建就完成了。

路由器和傳感器節點在上電后首先完成初始化過程，包括硬件的初始化和網絡的初始化，初始化完成以后將發出網絡信標主動掃描網絡，向網絡協調器發出加入網絡請求，收到確認幀后等待協調器分配網絡地址，收到網絡地址表明網絡加入成功。協調器組建網絡和節點加入網絡的過程如圖3，圖4所示。

圖3 網絡協調器組網過程

圖4 節點加入網絡過程

3.3 監測系統數據采集和傳輸

為了降低網絡運行功耗從而延長網絡壽命，同時結合尾礦大壩安全監測系統對數據實時性的要求，采用休眠模式和定時查詢的方式。傳感器節點在沒有收到定時數據查詢時一直保持深度休眠，當收到來自網絡協調器的定時查詢時，發送當前傳感器數據到協調器，從而完成數據的傳輸。傳感器節點對數據的采集同樣采用定時采集的方式，采集后的數據存儲在CC2430的RAM中，等待協調器提取數據。節點的采集和傳輸過程流程圖如圖5所示。

3.4 網絡路由方式

本系統采用Cluster-tree的路由方式。Cluster-tree是一種由網絡協調器展開生成樹狀網絡的拓撲結構，一般適合于節點靜止或者移動較少的場合，屬于靜態路由，不需要存儲路由表[10]。Cluster-tree路由采用分布式的地址分配機制。在網絡組建時，網絡協調器確定了網絡中的每一個路由節點的子節點中最大路由節點(Rm)數目、最大終端節點(Dm)數目和樹形路由的最大深度(Lm)。每一個新加入網絡的路由節點協調器都為其分配了一個包括路由器本身地址和其子節點地址的地址段，該地址段的首地址即為新加入路由器的地址，其余地址為其子節點的地址。節點深度為d(d

A(d)=1+Dm+Rm，if d=Lm-1

1+Dm+RmA(d+1)，if 0≤d

(1)

假設在一深度為d的路由分配到的地址范圍為，則該路由本身的地址為x，并且它將分配地址范圍為的地址段給它的第i(1≤i≤Rm)個路由子節點，分配地址為x+RmA(d+1)+j給它的第j(1≤j≤Dm)個終端節點。圖6以最大路由數為Rm=2，最大終端節點數Dm=2，最大路由深度為Lm=3為例，表明了網絡中路由(白色)和終端節點(黑色)的地址分配方式。

圖5 傳感器節點數據采集和傳輸過程

圖6 Rm=2，Dm=2，Lm=3的網絡地址分配

采用該路由可以有效地避免一般ZigBee網絡中AODV路由中路由發現過程，從而進一步降低網絡消耗。

此外，由于本網絡中節點結構比較清晰，采用樹形路由已經可以實現網絡功能。而網絡路由器同時作為簇首，即實現了網絡路由對數據轉發的功能，又作為分布式處理的中心，可以對相同傳感器節點的數據實現數據融合，對數據進行預處理。

4 結 語

將ZigBee無線傳感器網絡技術應用到尾礦大壩的安全監測系統中，實現了傳感器節點的網絡組建，傳感器節點的硬件設計，傳感器數據的采集和傳輸。由于ZigBee技術低成本、低復雜度、低功耗和自組網的特性，使得對尾礦大壩的安全監測和網絡維護水平都取得了明顯的提高。

參考文獻

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