無線傳感網絡在煤炭遠程監測系統中的應用

陳偉森

摘 要：傳統的煤炭監測系統基本上采用有線監測的形式，這種形式施工困難，成本高，應用范圍較窄。本文提出了將無線傳感網絡應用于遠程監測系統，這樣大大降低了數據獲取的局限，結合煤炭行業特點、工作經驗、物聯網技術、煤炭產量、煤炭產地以及輸入與輸出，介紹了煤炭產量遠程監測系統的形成背景、組成結構、當前的發展現狀以及未來的發展前景等，并探討了無線傳感網絡技術在這一系統中信息感應、傳輸與應用等具體應用的實現。

關鍵詞：無線傳感網絡；煤炭；遠程；測試；應用

無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSN）綜合了傳感器、嵌入式計算、現代計算機及網絡無線聯通、信息分布處理解決、以及高速網絡等技術，無論是在什么時間、位于什么地點以及各種環境下獲取大量真實并且有重要的信息讓群眾贊不絕口，從而在真實意義上實現了“全面覆蓋”的設計理念。無線傳感網絡是當之無愧的現代新興的傳感網絡，其應用前景相當的普遍，是我國未來經濟發展的重要戰略性資源，它的進一步發展以及擴大應用，將給人類未來的產業化生產領域送來重要的意義。隨著我國當下經濟的高速發展，以及現代化建設步伐的快速發展，對各種新型能源的需求量不斷的加大，對煤炭的開采量也日益增大。因為煤礦事故頻煩的發生，人們的安全質量沒有得到有效的保障，基于此國家對煤礦的安全生產提出了更高的要求。因此將無線傳感網絡應用到遠程監控中去的構想正高效解決了這一難題。

1 無線傳感網絡以及煤炭事業的發展

無線傳感網絡是傳感器技術、嵌入式技術、通信技術、網絡技術等飛速發展孕育出的新興產物[1]。當前無線傳感網絡一般是通過在監測的范圍內隨機投放一些傳感器的方式，我們人為地利用無線電波將它們各個部分都有效的連接起來，那么各個傳感器之間就形成一個自組織、多跳的無線網絡。無線傳感網絡一般由傳感器節點、匯聚節點、任務管理節點等構成，典型結構如圖1-1所示。在需要監測的區域分布傳感器用于采集各方面的數據信息。比如濕度、溫度、壓力、濃度、噪聲，等等。

在商業應用中，無線傳感器網絡（WSN）就能夠使得信息俘獲和處理簡單化。成功的系統設計和部署是由對RF信道特性的理解，和功耗選擇調制機制。WSN的有效范圍、數據速率以及電池的壽命是由這些因素決定的。無線傳感器網絡領域的碩大進步得力于RF器件和微電機系統（MEMS）的日益小型化以及無線技術的進步。傳感器網絡在收集關于物理世界的參數信息方面提供了一個很有前途的架構，已從軍事應用逐步過度到民用環境中。在無線傳感器系統中，單個節點能夠感應其環境，本地對信息進行處理，或者使用無線鏈路發送到一個或多個集結點。 所以節點之間的傳輸距離不遠是因為RF發射功率低。傳輸信號被竊聽的概率降低，同時電池的壽命還大大延長了，這是短距離傳輸的優點。系統的功率消耗是很重要的因為有些節點很難到達，難以更換電池；還有，節點需要工作很長時間。一個重要問題，來自其他系統或者系統內的節點到節點的無線電干擾會降低系統性能。所有這些RF系統問題是將來該領域研究的熱點。因為方便安裝，不僅點對點的拓撲結構被WSN使用，而且對架構的依賴也降低。WSN使用的架構點對點與傳統的無線點對點網絡有所區別在于它的性能依賴于傳感器節點的特性表現。圖2為商業無線傳感器節點示意圖。節點的組成部分有：微控制器（處理與控制來自傳感器的信號）、RF收發器、傳感器或者感知環境的傳感器、天線（物理環境收發器接口）以及電源（為各節點模塊提供電壓）。

我國當前綜合網絡的日益不斷建設與發展給煤炭集團教育事業帶來了巨大影響以及深刻變革。當下隨著無線網絡技術的日趨成熟、產業化以及其廣泛的應用，它的部署越加靈活，覆蓋面越加廣，以及傳輸率不斷的上升的特性已經引起了煤炭集團的高度關注以及深度的重視。無線傳感網絡技術作為一個新興的、低通道、低數據、低成本、易于規?；贾?、低風險以及簡潔簡單等，在物聯網的應用中的起著至關重要的作用，主要在各類數據的采集方面以及傳輸方面上廣泛的使用，當下已經當之無愧的轉變為物聯網領域里的一道重要的風景。無線傳感網絡技術所生產的產品廣泛應用于交通智能環境保護、群眾生活保障、居家安全、工業監測、老人贍養、交通安全、個人環境、等眾多的領域行業，前景發展一片光明，是我國以后長久大量高速發展的經濟不可或缺的重要戰略。本文中具體設計了一個無線傳感器網絡在煤炭集團大規模遠程監測系統，并且在測試中有比較好的效果。

2 煤炭遠程監測系統組網

煤炭安全監控系統是當前我國的現代化煤炭企業普遍都安裝的，但是安全監控系統大部分都是封閉性的，系統中使用的都是不同廠商自己設計的通信協議和信息交換標準，缺乏有效的數據傳輸手段，無法對煤炭遠程的安全檢測數據收集和監控達到統一。因此安全監測系統在煤炭遠程安全中的作用大大的削弱。所以改正煤炭遠程信息交流的不足，并且使自動化管理水平得到提升，使安全生產信息能夠深入到各級煤礦管理和監察機構，現代信息網絡技術是必不可少的，安全遠程監控網絡信息系統的建立是大勢所趨。

3 系統硬件設計

3.1 傳感器節點設計

傳感器節點作為無線傳感網絡的核心，由傳感器模塊、通信模塊、控制處理模塊、能量存儲模塊等四大模塊組成。其節點結構如圖3-1所示。

3.2 硬件電路設計

本系統以溫度濕度這2個物理量為測量對象，選定了 DHT11數字溫濕度傳感器，以LPC2200為處理器，來采集溫濕度并發送數據，最后DTU通過GPRS來傳輸數據。具體見圖3-2。其中DHT11數字溫濕度傳感器既可以測量濕度與溫度。傳感器包括一個NTC測溫元件和一個電阻式感箱，并可直接與單片機相連。DHT11數字溫濕度傳感器體積小、功耗低，信號傳輸距離可達20m以上。對于溫度測量的敏感度為0-100℃、測溫誤差為±2℃，濕度為20%-90%、測濕誤差為±5%。單片機和DHT11之間的通訊采用單線雙向制，完整的溫度濕度測量時間大約 4ms，一次完整的數據傳輸為40位數據，而且是高位先輸出。

4 基于無線傳感器網絡的煤炭遠程監測系統的軟件設計

有一個為無線嵌入式傳感器網絡設計的開放源代碼的操作系命名為TinyOS，其顯著特性是基于組件，使用最小代碼快速來使用。用戶能夠根據自己的需要而對TinyOSu的組件進行擴展，包括了網絡協議，傳感器驅動，分布式服務以及數據獲取工具。允許動態性調度是它顯著的特性。在本系統中，系統開發環境是基于無線傳感器網絡，在無線傳感器網絡中，使用 UC Berkely的TinyOs實現。在TinyOS上編寫程序使用的語言為 nesC，nesC為應用于嵌入式系統的一種類C語言，支持基于組件的編程模式，引入了接口和組件的概念。傳感器節點部署到監測區域后，要進行初始化，設置相應初始值，然后等待基站發送監測命令，一旦接到命令以后，在額定時間內探測其當前位置的時間段氣體濃度值，外一超時，等待下一輪命令后繼續測試。當測試結束后，就將有關的數據打包上傳到基站，若沒有接收到基站對數據的確認，認為沒有發送成功，那么將重新采集到的數據進行打包上傳。

總之，基于無線傳感網絡平臺的煤炭遠程監測系統與在線監測系統具有覆蓋面積廣闊、支持的節點眾多、組網特別靈活、成本低和能耗小等特點，能夠有效地滿足煤礦、碼頭等眾多場所的煤炭自燃預警與監測的需要。

該系統具有較好的功能擴展性，易于改進以實現其他場所的火災預警與監測、對煤炭遠程監測系統的重要作用以及對社會消防安全機制有著極大的借鑒意義，應用前景非常廣泛。因此無線傳感網絡在煤炭等眾多設施的發展是我國重要的發展戰略之一.

[參考文獻]

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