基于無線傳感網的礦井監控系統設計與研究

衛文慧 龍水軍

【摘要】煤礦安全問題一直是制約煤礦發展的關鍵因素，解決該問題的辦法之一就是建立一套可靠的監控系統，實現智能化管理。本文利用高性能微處理器S3C2440A采集礦井下重要環境點的圖像、有害氣體等數據。進行相關的算法處理后傳送給附近的ZigBee節點，然后通過ZigBee節點組成的傳感網絡進行無線傳輸，最終在控制端實現對每個節點的實時監控。結果表明，本文設計的智能化礦井監控系統能大大提高礦井的管理力度，降低礦井下的事故發生率，提高工作效率。

【關鍵詞】無線傳感網;ZigBee;S3C2440A;嵌入式系統

引言

近年來，我國對能源的需求不斷增加，在一定程度上導致我國煤礦開采量不斷上升。煤礦采煤方法與技術在煤礦開采中扮演著重要的角色，其中礦井安全是必須考慮的問題。我國煤礦事故常年位居世界前列，要避免煤礦事故，減少傷亡，就必須及時了解井下空氣中有害氣體含量和人員定位信息[1-2]。為了實現數據的無線傳輸，需要先組建一個高效可行的網絡。無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。傳感器網絡實現了數據的采集、處理和傳輸三種功能[3-4]。

1.礦井監控系統的總體設計

本文設計的礦井監控系統主要實現了對井下安置的節點周圍環境的監控，包括各種有害氣體、圖像等。包括數據采集系統、傳輸系統和上位機控制系統。其中數據采集系統實現對各個與之相連的傳感器進行數據的采集和處理，并最終通過串口將數據傳送給數據傳輸系統。傳輸系統接收到數據后，通過自組網實現無線傳輸功能。當數據到達上位機控制端時，則可以對該節點的數據進行分析并實現相應的控制。具體的流程如圖1所示：

圖1 礦井監控系統總體設計圖

2.數據采集系統

本文中數據采集端微處理器采用的是ARM9系列的S3C2440A，主要實現圖像、溫濕度、二氧化碳、一氧化碳、天然氣等數據的采集。該系統為開放性架構，可以增添數字傳感器。系統總體實現流程圖如圖2所示：

圖2 數據采集系統設計圖

2.1 微處理器S3C2440A介紹

S3C2440A是三星公司生產的一款低功耗和高性能的小型芯片微控制器。其最高晶振能達到405MHZ。該芯片功耗低，簡單精致且全靜態設計適合于對成本和功率敏感型的應用，采用總線架構如先進微控制總線構架（AMBA）。S3C2440A 的突出特點是其處理器核心由Advanced RISC Machines（ARM）公司設計的16/32位ARM920T的RISC處理器。ARM920T實現了MMU、AMBA總線和哈佛結構高速緩沖體系結構，這一結構具有獨立的16KB指令高速緩存和16KB數據高速緩存。這里微處理器S3C2440A的存儲單元包括一個64M的SDRAM、一個2M的NOR FLASH和一個256M的NAND FLASH。SDRAM的型號為K4S561632C-TC75，其作用是為程序提供一個運行的虛擬內存，但不能保存數據，掉電即丟失。NOR FLASH的型號為 SST39VF1601，其主要存儲系統運行的Bootloader（引導程序），一般該單元燒寫引導代碼后不經常改動。NAND FLASH的型號為K9F2G08，其主要功能是用來存儲燒入的程序代碼，掉電不丟失。其連接示意圖如圖3所示：

圖3 S3C2440A存儲單元示意圖

2.2 圖像采集的具體實現

圖像傳感器采用的型號為OV7620，OV7620屬于CMOS圖像傳感器，由它組成的圖像采集系統，比較常見的有：OV7620搭配OV5ll+、CPLD或FPGA。OV511+、CPLD或FPGA采集的圖像數據通過USB 總線或雙端口RAM 輸出到PC或MCU（ARM、DSP等），由PC或MCU對圖像數據進行下一步的處理。本文所設計的圖像采集系統僅用一個ARM芯片就實現了OV7620 的功能配置、時序同步、數據采集與處理等功能，系統結構緊湊實用。OV7620的供電電壓為5V，直接在ARM板子上取電。用到的引腳有：數字信號輸出Y0...Y7，奇偶場信號FOOD，像素同步信號PCLK，行信號HREF，場信號VSYNC，芯片復位引腳RST，模擬信號輸出VTO（用于調試對焦），SCCB讀寫引腳SCL、SDA，電源引腳VCC（+5V）、GND，一共18個管腳。由于S3C2440A的特殊性，其引腳中集成有對應的攝像頭引腳，且和OV7620要用到的引腳正好一一對應，只需對應接上即可，然后就可進行編程采集數據。溫濕度傳感器采用的型號是AM2305，與單片機之間采用IIC通信，通過發送配置指令即可接收傳感器自動發送的數據。二氧化碳傳感器采用的型號是MG811，上電后通過采集輸出引腳的電壓值，轉換為相應的二氧化碳濃度值即可得到真實的數值。一氧化碳傳感器采用的型號是MQ-9，MQ-9氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。采用高低溫循環檢測方式低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）檢測可燃氣體甲烷、丙烷并清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。通過S3C2440A采集輸出引腳的電壓值，然后轉換為一氧化碳濃度即可。另外類似的傳感器還有天然氣傳感器、空氣質量傳感器。

2.3 數據處理

采集到上述數據后需要經過一定的處理才能進行傳送，這里對每一個傳感器采集到的數據進行打包處理，包括前導符和標識符的標識。由于數字圖像傳感器采集的數據量比較大，這里必須對其進行壓縮處理，采用DCT壓縮方法，其處理流程如圖4所示[5]：

圖4 數字圖像壓縮流程圖

8X8的DCT和IDCT表達式為：

（式1）

經過上述壓縮算法，采集多組數據進行分析，通過下式即可計算出壓縮比，其中LS為原數據量，Ld為壓縮之后的數據量：

（式2）

可計算出壓縮比的大致范圍為：75.4%～ 91.1%。當對每個傳感器采集到的數據進行處理后即可傳送給數據傳輸系統。

圖5 ZigBee監測系統結構圖

3.數據傳輸系統的設計

Zigbee協議棧是一組基于IEEE 802.15.4的無線網絡標準，它采用分層結構，根據開放式通信系統互聯模型，具有物理層（PHY）、媒體介質訪問層（MAC）、網絡層（NWK）和應用層（APL）。網絡層和應用層的協議由ZigBee聯盟制定，IEEE802.15.4 標準定義物理層和媒體介質訪問層[6-8]。CC2430/CC2431單片機是TI公司生產的一款專用于IEEE802.15.4和ZigBee協議通信的片上系統解決方案。芯片采用0.18μmCMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27mA;在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430/CC2431休眠模式和主動模式的轉換時間短，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。CC2430與CC2431的區別在于：CC2431有定位跟蹤引擎，CC2430無定位跟蹤引擎，在外觀上CC2430與CC2431完全一樣。

ZigBee礦井綜合監測系統數據傳輸部分的主要硬件是圍繞核心芯片CC2430/CC2431搭建的一套開發板，并在開發板上預留足夠的外部接口引腳。由于CC2430與CC2431引腳互相兼容，所以CC2430的PCB設計同樣適用于CC2431。本系統的參考節點（RefNode）采用CC2430芯片，定位節點即盲節點（BlindNode）采用CC2431芯片，這兩種設備的芯片外圍設計（PCB模塊設計）是完全一致的。如圖5所示，在監測區域內放置若干個CC2430模塊作為參考節點，在其中一個或幾個參考節點上連接一套環境信息采集設備，一個代替定位目標的CC2431模塊作為定位節點，即可構成一個ZigBee無線監測網絡的硬件系統結構。該網絡最終通過協調器和計算機連接，組成一個完整的ZigBee無線監測系統。

表1 數據傳輸誤碼率試驗

實驗次數 發送字節數 接收字節數 誤碼率

20 100 100 0

20 2000 2000 0

20 10000 10000 0

20 20000 20000 0

4.實驗結果分析

通過上述設計搭建的監控系統，最主要的一點就是實現數據的準確傳輸，下面通過大量實驗來驗證該方案的傳輸誤碼率。由表1可以看出，當發送的字節數在20000以下時，誤碼率為0，可見搭建的系統是可行的。

5.總結

本文主要搭建了一個煤礦井下監控系統。采用高性能微處理器S3C2440A來收集井下節點周圍的環境數據，進行一定的處理后，通過ZigBee技術搭建的傳感網絡進行傳輸，最終在上位機控制端實現顯示和控制功能。結果表明該方案是可行的，本文設計的監控系統已在具體煤礦環境中實現應用，對于減小煤礦井下的事故發生率、實現智能化管理有很好的效果。

參考文獻

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[8]Chengbo Yu， Yanfei Liu， Cheng Wang. Research on ZigBee Wireless Sensors Network Based on ModBus Protocol[J]. Wireless Sensor Network，2009.1.

作者簡介：衛文慧（1983―），男，安徽無為人，工程師，主要從事礦用安全儀器儀表、監控系統、有線/無線通信、救生艙的研究和檢驗工作。