基于無線多媒體傳感器網絡的煤礦數據采集系統設計

巢湖學院機械與電子工程學院 李巖巖 汪 新 任玲芝

基于無線多媒體傳感器網絡的煤礦數據采集系統設計

巢湖學院機械與電子工程學院 李巖巖 汪 新 任玲芝

本文給出了一個經濟的、靈活的關于地下礦山工人安全的解決方案。通過無線通信技術Zigbee，將基于傳感器的MEMS模塊應用于地下環境的監測與測量中，使整個系統更可靠，更容易控制，更精確。其中，利用單片機收集數據，判斷出危險地域，并通過警報以及語音系統通知其中的礦工。通過帶有麥克風和揚聲器語音系統，轉換成數字信號并與地面控制中心進行有效的無線通信。實際運行表明，該系統可替代傳統的煤礦監控系統，能有效的避免更多潛在危險事故的發生。

無線多媒體傳感器網絡；數據采集系統；ZigBee

1.引言

工業安全是行業的主要內容之一， 特別在礦業中，保證礦業安全生產非常重要。為避免不希望發生的災難事故，所有礦業都會進行一些基本的防范與安全措施。為了避免財產的損失和人身的傷害，保護系統以及可靠的通信系統在地下礦道里是非常必要的。因此，必須在礦井中移動的工人與固定的基站之間建立可靠的通信以提高煤礦安全性和生產力。由于礦井中的特殊環境，有線的通信手段不是非常有效，傳統通信系統的可靠性和長壽命在惡劣的開采環境一直是個問題。此外，有線通信網絡在礦井中的安裝成本和維護成本也非常高，有線通信系統在滑坡或由于其他原因造成損壞之后，在礦井中重新安裝的是非常困難的。為了準確檢測溫度，壓力，可燃及有毒氣體，及時追蹤到地下礦工和礦車，需要改善礦井監控系統，這對保證安全生產和煤礦災難時的救援具有重大的意義[1]。

論文[2]提出煤礦鏈路型無線傳感器網絡，它由三個傳感器節點組成：傳感節點，群集的頭節點以及連接兩者的基站，通過這些節點系統就可以定期監測地下礦道的環境以及定位礦工。論文[3]提出基于多傳感器信息融合的新決策方法，用于預測煤礦瓦斯爆發。多傳感器信息融合方法中應用了兩個技術：神經網絡和數據融合理論，而改進的模糊集的組合規則被應用于決策融合。但是，這些通信方法中的特定技術都缺乏在地下礦山的實際應用。

為了成功傳輸無線數據，在這個系統中我們使用 ZigBee標準。ZigBee規范因為其功耗降低開發成本低，被許多制造商結合在他們的設備中。在本文中，基于Zigbee的數據融合技術被使用于無線傳輸和接收數據。

2.煤礦無線監控系統的實現

2.1系統結構組成

煤礦無線監控系統可以被分為兩部分。首先是裝配于煤礦工人身體上的硬件電路，它最好配備于工人的安全帽中。這個電路由一些基于傳感器技術的MEMS模塊組成，可快速測量像環境溫度、濕度和甲烷、一氧化碳這類有害氣體濃度這樣的地下參數。單片機通過傳感器采集地下環境參數，一旦超過在單片機中預先編入的安全數值[4]，單片機控制與之連接的揚聲器發出報警，系統總體框圖如圖1所示。同時這些環境參數信息將以緊急通知和警報的形式通過zigbee發送給地面控制終端。單片機數據傳輸就是通過兩個單獨的模塊即 ZigBee傳輸模塊到數據收集器/接收器模塊。

2.2系統硬件設計

系統中使用的單片機是PIC16F877A，工作頻率20MHz、5個輸入輸出端口、8個A/D輸入通道和368 bytes 數據存儲器。如圖1所示，數據接收終端 Zigbee_RX和數據傳輸終端ZigBee_TX 交叉連接到對應的單片機發射機和接收機終端發出數據和接收數據。

圖1　系統總體框圖

ZigBee模塊中使用的接口板，符合802.15.4標準。該模塊低成本，低功耗、可靠的20針設備并帶有2.4GHZ工作頻帶。它可在30-100米的范圍內，數據傳輸率達到250000bps。ZigBee模塊有五種運行模式，在沒有收到或傳輸數據時，RF模塊運行在空閑模式下，處于其他不同條件時，RF模塊將轉移到其他操作模式下。在傳輸模式下接收的串行數據直接存儲在數據輸入DI緩沖區中，直到它可以被處理的。當DI緩沖區達到17字節即將溢出時，CTS（高位）將重復向主機設備發送信號以阻止的繼續輸入數據，如圖2所示。當CTS不斷發出信號時，DI緩沖區還有34字節的內存可用。選擇傳輸較少的數據或選擇低波特率為避免這種溢出的狀態。在接收模式下，有效的RF數據時通過天線接收的。當接收到RF數據時，輸入到數據輸出DO 緩沖區并發送到主機設備的串行端口中。一旦DO緩沖區溢出，任何其他傳入的RF數據都會丟失。若RTS（硬件流量控制）可控制流量，一旦RTS發出阻止信號數據將不會被發送出到DO緩沖器。當RF模塊不使用時，睡眠模式啟用，即進入低功率消耗時段，這個時間段ST為預先定義，在這個時間段內既不傳輸數據也不接收數據。若想修改或讀取RF模塊的參數，模塊必須首先進入命令模式，在這種模式下，輸入的字符會被翻譯為命令。

圖2　ZigBee模塊連接

3.系統軟件設計

ZigBee網絡的主要特征是易實施、低功耗、低成本[5]。ZigBee基于IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層，IEEE 802.15.4定義了兩個種設備：完整功能的設備（FFD）和精減功能設備(RFD)。FFD有協調網絡的功能，因此有所有其他設備的訪問權限。RFD僅限于一個星形拓撲配置，不能夠作為網絡協調員工作，所以它沒有全部協議服務權限。FFD和RFD設備能在三個不同 ZigBee標準方式下工作，即ZigBee協調員（ZC）、ZigBee 路由器（ZR）或ZigBee終端設備（ZED）。網絡層支持三個拓撲：星形，樹形和網狀如圖3中所示。星型拓撲包括協調節點和一個或多個與ZC通信的FFD或RFD。

圖3　Zigbee的不同拓撲結構

在樹形拓撲中，在ZC和ZR的設備中能增加網絡的節點數和網絡的范圍。在網狀拓撲中，FFD可以直接分發信息給其他FFD，進入網絡后，每個設備都能接收到ZR或ZC給出的地址。

圖4　發射機和接收機之間的范圍測試

4.數據管理軟件

數據管理軟件的開發是為了監測到可靠的遠程數據與警報信號，并得到一個有效管理的交互界面。這個軟件使用Visual Basic進行編程，這有助于形成圖形用戶界面。它可以顯示條形圖、表格和圖形中的參數。此外，它也將生成并參數的打印報告。地面控制PC接收到的不同環境參數也以不同的形式顯示在計算機屏幕中，參數包括溫度，濕度、甲烷和一氧化碳的氣體濃度等等。計算機把參數存儲在硬盤中，地面工作人員可以選擇任何參數錄制和回放。當發現收到的數據有超過事先設定的參數限制時，單片機就會控制報警器及時響起，地面控制中心的計算機就會給出警報處的位置圖像。地面工作人員根據所收到的警報做出決策，并建立與地下工人語音通信，向他們發出警報，并根據連續監測情況和地下的工人語音通訊中獲取的信息，采取相應控制和安全措施。圖4是發射機和接收機之間的范圍測試結果，圖5是ZigBee模塊實物圖。

圖5　帶有天線的ZigBee模塊用作發射機

5.結論

本文設計監視和安全系統可有效的取代傳統的煤礦安全系統，該系統可覆蓋地下礦井中更大更深的區域，從而有效控制和避免更多潛在的危險。該系統結合了低功耗、低成本的，高效無線數據傳輸技術Zigbee，以及基于小型傳感器的MEMS模塊，傳感器和zigbee模塊可以安裝在煤礦工人的頭盔上。工人及地面工作人員之間合理的監測和對話的實現對突發事件采取更迅速，更恰當的行動起到了很大的幫助。在未來，該系統還可以輕松地擴展上ZigBee無線圖像傳輸設備；它將極大的改善地下環境的可測性以及礦工的位置精確性。

[1]Y.P.Zhang, G.X.Zheng,“Radio Propagation at 900 MHz in Underground Coal Mines”, IEEE transactions on antennas and propaga tion,2001,vol.49(5):752-62.

[2]N.Chaamwe,W.Liu,H.Jiang,“Seismic Monitoring in Underground Mines: A case of Mufulira Mine in Zambia Using wireless Sensor Networks for Seismic Monitoring”, Proc. IEEE international Conference on Electronics and Information Engineering, 2010:310-414.

[3]X.Ma,Y.Miao,Z.Zhao,H.Zhang,J.Zhang,“A novel approach to Coal and Gas Outburst Prediction Based on Multi-sensor Information Fusion”, Proc. IEEE international conference on automation and logistics,2008:1613-1813.

[4]于海斌,曾鵬,梁韡.智能無線傳感器網絡系統[M].科學出版社,2006:1-10.

[5]李慧宗,葛兵,王向前.ZigBee技術在礦井安全監控技術中應用[J].煤礦機械,2011.5:206-207.

巢湖學院校級自然科學研究項目（XLY-201506）；巢湖學院校級質量工程項目（ch15kcjgxm08）；安徽省高等學校省級質量工程項目（2015jyxm322）；巢湖學院校級質量工程項目（ch14yykc04）。

李巖巖（1986－），女，安徽阜陽人，巢湖學院教師，主要從事自動控制技術的研究。