基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測的設(shè)計(jì)

摘 要： 將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與ZigBee技術(shù)進(jìn)行融合，使用ZigBee技術(shù)搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并建立基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。以樓宇供暖遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)為例，對基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。對ZigBee節(jié)點(diǎn)的核心組件PIC18LF4620處理器和CC2420無線射頻模塊引腳連接電路進(jìn)行設(shè)計(jì)；對ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中處理器和模塊的軟件程序以及上位機(jī)組態(tài)監(jiān)測軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過在目標(biāo)樓宇內(nèi)成功安裝調(diào)試該文研究的樓宇供暖遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，使得全天候各個(gè)供暖時(shí)段的室溫均在要求的18 ℃以上，基本能夠達(dá)到室溫均衡，節(jié)約了供暖公司的成本和資源。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測； 樓宇供暖監(jiān)測

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）14?0131?04

Design of remote data monitoring based on ZigBee wireless sensor network

LIU Jing

（Normal School of Yanbian University， Yanji 133000， China）

Abstract： The wireless sensor network （WSN） technology and ZigBee technology are integrated， in which the ZigBee technology is used to construct a WSN， and the remote data monitoring system based on ZigBee WSN is established. A building heating remote monitoring system is taken as an instance to describe the design of the remote data monitoring system based on ZigBee WSN. In this paper， the core component PIC18LF4620 processor of the ZigBee node and pins junction circuit of CC2420 wireless RF module， software programs of the processor and module in ZigBee WSN， and upper computer configuration monitoring software were designed. The studied building heating remote data monitoring system in the building was successfully installed and debugged， which makes the indoor temperature of each heating period above 18℃， can reach the indoor temperature equilibrium fundamentally， and save the heating cost and resources for the heating company.

Keywords： ZigBee； wireless sensor network； remote data monitoring； building heating monitoring

0 引 言

煤炭業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其中的大部分事故都同瓦斯泄漏相關(guān)，給我國人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的損失[1?3]。為了降低煤礦事故發(fā)生率，應(yīng)提高對瓦斯?jié)舛葯z測的精度。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，塑造煤礦瓦斯泄漏物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，對煤礦安全具有重要作用[4?5]。近年來出現(xiàn)許多關(guān)于監(jiān)測瓦斯泄漏方面的方法，如文獻(xiàn)[6]提出的防脈沖平均濾波方法，該方法過濾掉n個(gè)采集數(shù)據(jù)集中的最高和最低值，再運(yùn)算剩下的全部樣本均值，獲取瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ摲N方法雖然簡單，但是當(dāng)獲取數(shù)據(jù)量較高時(shí)，算法的靈敏度將大大降低。文獻(xiàn)[7]通過線性最小二乘法獲取采集數(shù)據(jù)中的最大和最小理想值，并將兩個(gè)值融入公式，獲取瓦斯?jié)舛戎担商岣咄咚箶?shù)據(jù)的連續(xù)性，但是該方法檢測效率低。文獻(xiàn)[8]依據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作獲取的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，該種方法無法過濾井下環(huán)境中的濕度以及溫度因素的干擾，檢測的瓦斯?jié)舛却嬖谳^高誤差。文獻(xiàn)[9]提出了基于免疫理論對礦井瓦斯參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，但是該種方法存在較高的局限性，具有一定的安全隱患。為了解決上述方法存在的問題，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的井下瓦斯泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯泄漏點(diǎn)的精確監(jiān)測。

1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

1.1 煤礦物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)

煤礦物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及應(yīng)用層組成，如圖1所示。

感知層采用檢測技術(shù)、無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下瓦斯信息以及泄漏位置信息的采集；網(wǎng)絡(luò)傳輸層通過長距離有線和無線通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞；應(yīng)用層為煤礦各職能部分的管理提供相關(guān)的服務(wù)，如煤礦災(zāi)害警示，井下瓦斯泄漏安全生產(chǎn)評(píng)估以及井下瓦斯資源環(huán)境評(píng)估等。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下瓦斯泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、有線通信網(wǎng)和井上監(jiān)控管理站，分別對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過不同的傳感器的傳感階段獲取井下瓦斯?jié)舛取穸纫约皽囟刃畔ⅲ@取的信息通過路由節(jié)點(diǎn)完成聚合操作，并反饋到匯聚節(jié)點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于無線傳感器接入網(wǎng)關(guān)同有線通信網(wǎng)絡(luò)相連，可將獲取的井下瓦斯?jié)舛纫约靶孤┪恢冒l(fā)送到井上的監(jiān)控管理站。監(jiān)控管理站包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及中央計(jì)算機(jī)，可對瓦斯?jié)舛纫约靶孤┪恢眯畔⑦M(jìn)行保存、檢索和警示，并完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控。井上的監(jiān)控管理站同互聯(lián)網(wǎng)連接，為遠(yuǎn)程控制人員檢索和監(jiān)測礦井瓦斯泄漏信息提供服務(wù)。在井下部署多個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對井下瓦斯?jié)舛纫约巴咚剐孤┪恢眠M(jìn)行全方位的監(jiān)控。

1.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)和原理圖

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素，其由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及能量供應(yīng)模塊構(gòu)成，如圖3所示。傳感器模塊采集井下瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；處理器模塊對總體無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理，對獲取的瓦斯?jié)舛纫约靶孤┬畔⑦M(jìn)行保存和操作，獲取自身的坐標(biāo)；無線通信模塊同其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的交流，能量供應(yīng)模塊為其他模塊提供能量服務(wù)。

瓦斯泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通過傳感節(jié)點(diǎn)采集井下瓦斯?jié)舛刃畔ⅲx用的傳感器將CC2430 芯片作為核心CPU，并且融合處理器模塊、無線射頻模塊以及電源等模塊。CC2430 芯片具有高速、低功耗的優(yōu)勢。傳感節(jié)點(diǎn)硬件原理圖如圖4 所示。

1.4 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器采用飛凌S3C2440 開發(fā)板，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器中的溫濕度傳感器以及瓦斯傳感器將監(jiān)測到的井下瓦斯環(huán)境以及濃度信息，通過CC2530收發(fā)模塊傳遞到S3C2440開發(fā)板進(jìn)行處理，并通過LCD顯示器呈現(xiàn)處理結(jié)果，同時(shí)可將處理信息存儲(chǔ)到SDRAM FLASH中。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件功能

2.1.1 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和信息接收服務(wù)模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的核心是智能化的無線移動(dòng)通信網(wǎng)，其替代通信平臺(tái)是PSTN（撥號(hào)方式）。基于遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)默認(rèn)設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互換條約，選擇不閉合的接口，在數(shù)據(jù)傳遞信息的進(jìn)程中，采集煤礦瓦斯泄漏監(jiān)控平臺(tái)的動(dòng)態(tài)信息，利用信息中間件把動(dòng)態(tài)消息穩(wěn)定、迅速地反饋到上一級(jí)公開的數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)中。系統(tǒng)里信息收發(fā)軟件是互相匹配的。信息接收軟件利用開放式通信網(wǎng)，把軟件信息與數(shù)據(jù)反饋到上一級(jí)的數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)中，信息接收軟件讀取全部瓦斯泄漏監(jiān)控信息，利用遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)默認(rèn)設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互換條約分解每條信息并記錄于數(shù)據(jù)庫中。

2.1.2 井下瓦斯?jié)舛刃畔@示模塊

基于用戶的要求，井下瓦斯泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)軟件與圖形信息軟件選擇B/S方法，在信息回收服務(wù)儲(chǔ)存系統(tǒng)里簡單高效地獲取有價(jià)值的消息，供煤礦安全生產(chǎn)指導(dǎo)。基于B/S形式公開信息，客戶通過表格、圖形等形式在IE瀏覽器中檢索瓦斯泄漏消息。井下瓦斯泄漏的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)包括監(jiān)控界面、檢索、圖形、報(bào)表、隱患分析、系統(tǒng)管理等模塊，各模塊都具備煤礦挑選、分站號(hào)和測點(diǎn)號(hào)挑選，用于可在下拉菜單下完成挑選，選擇所需的信息。

如呈現(xiàn)警示消息模塊，通過該模塊可查看瓦斯?jié)舛鹊膭?dòng)態(tài)警示及以往警示消息情況的匯總，該模塊可為操作員提供每一階段的瓦斯?jié)舛染鞠R總狀況。如圖6所示。

2.2 代碼設(shè)計(jì)

通過S3C2440片中原有的8通道10位COMS的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行井下瓦斯泄漏的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的模數(shù)變更。井下瓦斯?jié)舛韧ㄟ^S3C2440控制傳感器進(jìn)行檢測，將傳感器獲取的信息實(shí)行A/D變更，A/D利用16位計(jì)時(shí)器完成啟動(dòng)，在變更信息大于閾值時(shí)，井下瓦斯泄漏的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)啟動(dòng)警示功能。正常情況下井下瓦斯?jié)舛葹樾∮?%，在濃度大于等于5%時(shí)井下就會(huì)爆炸，所以將系統(tǒng)警示閾值規(guī)定在1%，程序代碼如下：

3 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室里，基于礦井環(huán)境的特征，模擬塑造具有不同安全參數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控域，并采用本文方法部署礦井瓦斯泄漏監(jiān)控系統(tǒng)。通過一段時(shí)間的監(jiān)控后，對本文監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到的瓦斯泄漏警示次數(shù)同實(shí)際狀況對比，獲取本文系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯泄漏監(jiān)控的各項(xiàng)指標(biāo)情況，如表1所示。能夠看出本文系統(tǒng)具有較低的虛警率和漏檢率，較高的監(jiān)控準(zhǔn)確率，可對煤礦井下瓦斯泄漏進(jìn)行有效監(jiān)控。

表1 瓦斯泄漏監(jiān)控實(shí)驗(yàn)指標(biāo)對比

圖7為基于物聯(lián)網(wǎng)的井下瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控客戶端的界面，而客戶端應(yīng)用測試結(jié)果如表2所示。可以看出本文系統(tǒng)具備高精度瓦斯泄漏信息監(jiān)控性能，具有較高的優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的井下瓦斯泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，該監(jiān)控平臺(tái)包括井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、有線通信網(wǎng)和井上監(jiān)控管理站，分別對應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。監(jiān)控平臺(tái)在井下采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集和傳輸瓦斯數(shù)據(jù)，傳感器采用CC2430 芯片作為核心處理器，實(shí)現(xiàn)瓦斯信息的快速檢測，系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器采用飛凌S3C2440 開發(fā)板實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，可將井下瓦斯數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到井上監(jiān)控管理站。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)控結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯泄漏點(diǎn)的精確監(jiān)測。

表2 客戶端應(yīng)用測試

參考文獻(xiàn)

[1] 劉東.基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦智能體系設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3（9）：61?64.

[2] 張啟忠，黃鵬鵬，余建國.物聯(lián)網(wǎng)在礦區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)控中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2013，32（12）：206?208.

[3] 張偉，燕孝飛，楊振，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧古城建設(shè)探究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30（2）：8?13.

[4] CHAIN K， KUO W C. A new digital signature scheme based on chaotic maps [J]. Nonlinear dynamics， 2013， 74（4）： 1003?1012.

[5] 井云鵬.氣體傳感器研宄進(jìn)展[J].硅谷，2013（11）：11?13.

[6] 劉東.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的煤礦物聯(lián)網(wǎng)模型研究設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3（7）：69?72.

[7] 張飛燕，韓穎.煤屑瓦斯擴(kuò)散規(guī)律研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（9）：1589?1596.

[8] 虎鑫.基于IFIX 的選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].銀川：寧夏大學(xué)，2014.

[9] 劉彥偉，魏建平，何志剛，等.溫度對煤粒瓦斯擴(kuò)散動(dòng)態(tài)過程的影響規(guī)律與機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（1）：100?105.