基于云計算的礦井無線傳感網絡火情遠程監控系統

陳 勇， 徐 釗， 張 雪

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學 研究生院，江蘇 南京 211100）

礦井里面由于存在大量的煤氣等易燃易爆氣體，很容易發生火災，一旦礦井中發生火災，往往伴隨著爆炸和塌方，會給礦工的生命財產帶來巨大的威脅，會給國家帶來巨大的損失。

人們想了很多辦法來監控礦井下的情況，目前人們普遍采用的是利用電纜來鋪設檢測網絡，但是由于礦井里面結構復雜，現有的監控方法和系統存在安裝不便、維護不便的問題，并且監控系統容易損壞，維修起來非常困難。筆者針對礦井的實際需求，應用了無線傳感網絡技術，并且結合了云計算設計了一個對礦井內火情進行遠程監控的系統[1-2]。

1 系統概要設計

一種基于云計算的無線傳感網絡火情遠程監控系統整體示意圖如圖1所示，系統主要由包括通訊基站、無線傳感器網絡和云計算平臺，主要經由無線傳感采集礦井內部的溫度和一氧化碳數據，然后通過通訊基站將數據發送到云計算平臺，在云計算平臺上對數據進行處理，礦井專家系統對接到云計算平臺后分析數據，然后將信息反饋給礦井管理中心，最后管理中心再根據所得到的信息使用執行器實時地調節礦井內部的溫度以及一氧化碳量，以保證礦井的安全[3]。

圖1 無線傳感網絡火情遠程監控系統整體Fig.1 Whole system of wireless sensor network fire remote monitoring

監控系統是基于網狀結構的，無線監控網絡包括礦井無線傳感節點、礦井無線路由節點、礦井無線網關執行器驅動節點。在監控網絡中多個礦井無線傳感節點和礦井無線路由節點組成網狀網絡，其他礦井無線路由節點和礦井無線傳感節點，以及礦井無線網關執行器驅動節點能自由退出和加入無線網絡。多個礦井無線路由節點與礦井無線傳感節點形成網狀Mesh網絡，每個礦井無線路由節點為Mesh網絡中的路由節點，當礦井無線傳感節點離礦井無線路由節點太遠超過無線通信距離時，可逐級多跳通過其他礦井無線傳感節點與礦井無線路由節點進行通信，或者當網絡中斷時自動通過其他礦井無線路由節點通信，礦井無線路由節點能自由加入和退出無線監控網絡，實現整個無線監控網絡的自組織和自恢復。路由節點會將數據發送到云計算平臺，在云計算平臺上對數據進行處理，礦井專家系統對接到云計算平臺后分析數據然后反饋信息給礦井管理中心。白色圓點為礦井無線傳感節點，黑點圓點為礦井無線路由節點，方形點為礦井無線網關執行器驅動節點。具體而言，在網狀網絡中，每個火情無線路由節點（無線傳感器節點）為礦井網絡中的路由節點。

2 系統硬件設計

一種基于云計算的礦井無線傳感網絡火情遠程監控系統[4]，包括通訊基站、無線傳感器網絡和云計算平臺，所述無線傳感器網絡通過通訊基站與云計算平臺相連接，該無線傳感器網絡包括用于采集煤礦安全數據的無線傳感器、執行器和用于傳輸煤礦安全數據的無線網關，所述無線傳感器、執行器和無線網關相連接。

所述無線傳感器包括無線一氧化碳傳感器、無線風壓傳感器和無線溫度傳感器；執行器包括溫度控制器和一氧化碳控制器。

所述無線一氧化碳傳感器包括一氧化碳傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發器和RS232收發器，其中一氧化碳傳感器、CC2530射頻模塊收發器和RS232收發器均與msp430微處理器相連接。

所述無線風壓傳感器包括風壓傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發器和RS232收發器，其中風壓傳感器、CC2530射頻模塊收發器和RS232收發器均與msp430微處理器相連接。

所述無線溫度傳感器包括溫度傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發器和RS232收發器，其中溫度傳感器、CC2530射頻模塊收發器和RS232收發器均與msp430微處理器相連接。

溫度傳感器、一氧化碳傳感器與無線傳感節點對接，采集礦井環境內的溫度和一氧化碳，然后經過無線傳感操作系統實時的調度通過CC2530模塊將礦井環境內的溫度和一氧化碳數據發送給無線傳感路由節點，路由節點收到數據后又轉發給無線傳感網關節點，無線傳感網關經過無線傳感操作系統的調度通過CC2530射頻模塊接收數據并得到溫度和一氧化碳數據，然后通過網絡接入到因特網把數據傳送到云計算平臺，專家系統登陸云計算平臺后取得相應的數據并判斷否則要調節溫度，如果需要則控制溫度和一氧化碳控制執行器對礦井溫度和一氧化碳進行調節。

如圖2所示是礦井無線傳感節點硬件原理圖，主微處理器為msp430單片機，同時接入CC2530射頻模塊無線收發模塊，溫度和一氧化碳傳感器接入msp430單片機中，負責采集礦井室內的溫度和一氧化碳數據，經過msp430的AD轉化通過CC2530射頻模塊無線收發模塊發送給礦井無線傳感路由節點。

圖2 礦井無線傳感節點硬件原理圖Fig.2 Mine wireless sensor node hardware principle diagram

如圖3所述是礦井無線路由節點硬件原理圖[5]，主微處理器為S3C2410，同時接CC2530射頻無線收發模塊，接入網卡通過因特網接入云計算平臺，同時處理器還通過IO口接入光耦和固態繼電器控制器對溫度和一氧化碳進行控制。首先通過CC2530射頻無線收發模塊接收無線傳感節點傳送過來的溫度和一氧化碳數據，然后將數據通過網卡傳送至云計算平臺，專家系統接入到云計算平臺上分析礦井溫度數據作出判斷如何控制溫度和一氧化碳控制器，將判斷結果發送到微處理器S3C2410，微處理器根據判斷結果對溫度控制器進行相應控制。

圖3 礦井無線路由節點硬件原理圖Fig.3 Mine wireless routing node hardware principle diagram

3 系統軟件設計

如圖4所述是礦井無線監控網絡初始化流程圖[6]，軟件實現過程：系統在軟硬件初始化后開始建立新的網絡，對各信道進行能量掃描，選擇一個空閑信道；找到合適的通道后，為新網絡選擇一個網絡標識符從而建立新的傳感器網絡，并允許礦井無線路由節點加入，同時路由總節點和云計算平臺進行數據循環對接；掃描是否新的無線路由節點加入網絡，如有且確認是礦井無線路由節點，則允許其加入并分配16位的網絡地址。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

4 結 論

本系統與現有技術相比，其顯著優點為：1）本系統借助無線傳感操作系統的實時調度功能，將無線傳感網絡很好在礦井環境中得到了應用，同時將環境的數據能實時傳送到云計算平臺，從而便于與各種礦井專家系統進行對接，避免了傳統的礦井電纜布線監控和本地數據分析的局限性；2）本系統具備低成本、自組織、系統功耗低、信息交互方便等特點。

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