基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三維礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊振洲

【摘 要】隨著嵌入式移動通信技術(shù)的高速發(fā)展，針對相關(guān)的具體應(yīng)用場景，設(shè)計出了低功耗、數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對礦山環(huán)境的諸多特點，通過利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出三維礦山環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案，對建設(shè)三維數(shù)字化礦山具有一定的參考價值。

【Abstract】With the rapid development of embedded mobile communication technology， a wireless sensor network composed of sensor nodes with low power consumption and large number of sensors is designed according to the specific application scenarios. According to the characteristics of mine environment， through the use of wireless sensor network technology， the hardware and software design of environment monitoring system of mine is presented in this paper， which has a certain reference value for the construction of 3D digital mine.

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；協(xié)作感知；系統(tǒng)設(shè)計

【Keywords】wireless sensor network； cooperative sensing； system design

【中圖分類號】TD76 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0134-02

1 引言

煤炭開采工業(yè)一直是我國重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位十分重要，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和感知礦山理念的不斷深化，煤礦開采變得更加機(jī)械化和智能化，而且由于礦山井下巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，生產(chǎn)工作環(huán)境惡劣，瓦斯突出、煤塵、水災(zāi)等安全隱患問題不容忽視，其中瓦斯爆炸造成的危害范圍極廣，影響深遠(yuǎn)。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦井下事故的發(fā)生主要是由瓦斯引起的，其造成的傷亡占到重特大事故傷亡人數(shù)的九成左右，因此對于礦山環(huán)境監(jiān)測始終是不容忽視的問題，

2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計主要有三層結(jié)構(gòu)：環(huán)境感知層、無線數(shù)據(jù)傳輸層和上位機(jī)管理軟件層，其中，環(huán)境感知層主要針對采集礦山空氣的粉塵、溫濕度、有害氣體（如CO、CO2等）；土壤的溫濕度、pH值、金屬離子的含量等；水環(huán)境的溫度、pH值以及氮氧含量等；通過布置相應(yīng)的ZigBee節(jié)點進(jìn)行自組網(wǎng)后，利用自發(fā)上傳或者上位機(jī)下達(dá)指令的方式，把感知數(shù)據(jù)匯聚到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再通過3G技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫，上位機(jī)的智能管理軟件系統(tǒng)通過訪問數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)煤礦環(huán)境信息的實時查詢和評價分析，另外，煤礦環(huán)境管理部門等不同使用者也可通過Internet進(jìn)行訪問。

3 系統(tǒng)功能

礦山監(jiān)測區(qū)域廣，且地處野外，為了監(jiān)測空氣、土壤等空間對象的環(huán)境參數(shù)，需要在礦區(qū)布放多個傳感器節(jié)點，節(jié)點能夠自組織成網(wǎng)絡(luò)，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

3.1 礦山環(huán)境基本特點

①從地理位置角度來看，礦山所處位置一般比較偏僻，海拔相對較高，監(jiān)測難度較大。②信息采集周期較長。由于監(jiān)測手段限制，傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息的獲取主要依靠人力取得，信息獲取周期較長，不利于礦山環(huán)境信息的及時更新。③信息的顯著特點：數(shù)據(jù)源豐富、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型眾多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且礦山數(shù)據(jù)具有重要的經(jīng)濟(jì)價值，大量數(shù)據(jù)如果得不到及時收集、整理、保存、分析，一旦丟失，將會造成數(shù)據(jù)信息資源及經(jīng)濟(jì)浪費。④信息發(fā)布相對遲緩。傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息的發(fā)布主要依靠相關(guān)部門將信息編輯成冊，出版發(fā)行，公眾對信息的獲取相對遲緩，不利于信息的廣泛應(yīng)用。

3.2 技術(shù)需求

通過對傳統(tǒng)礦山環(huán)境信息監(jiān)測的特點分析，可以知道傳統(tǒng)監(jiān)測手段存在許多不足之處，需要在無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程傳輸控制、大范圍監(jiān)測、快速信息發(fā)布等方面進(jìn)行改進(jìn)和彌補。

由于ZigBee無線傳感器技術(shù)具有多節(jié)點、低功耗、低成本的特點，能夠適應(yīng)復(fù)雜地形的信息監(jiān)測，滿足礦山環(huán)境監(jiān)測的野外工作性質(zhì)需要。智能傳感器具有高敏感性、高精度、多類型等特點，監(jiān)測終端節(jié)點通過外接不同類型的傳感器，以實現(xiàn)不同對象的信息參數(shù)采集。基于3G的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有實時性、遠(yuǎn)程操控的特點，能夠及時地獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)、控制采集設(shè)備，滿足礦山環(huán)境監(jiān)測的實時性需求。GIS技術(shù)以空間數(shù)據(jù)為操作對象，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山信息的三維可視化顯示。基于C/S模式的工作方式，服務(wù)器端完成信息數(shù)據(jù)的存儲管理功能，客戶端完成數(shù)據(jù)處理、表示及用戶接口功能，用戶通過客戶端向服務(wù)器端提交請求，由服務(wù)器端提供服務(wù)并響應(yīng)用戶請求，實現(xiàn)礦山環(huán)境信息的查詢、統(tǒng)計分析等功能，用戶訪問便捷、安全性高，使得公眾能夠及時有效地獲取監(jiān)測信息，滿足礦山環(huán)境監(jiān)測信息發(fā)布的時效性需求。

4 硬件架構(gòu)

4.1 無線通信模塊

本系統(tǒng)無線通信模塊的微處理器芯片選用了CC2530，配套無線通信芯片為CC2591。CC2591具有2.4GHz低功耗RF射頻收發(fā)器，是德州儀器公司生產(chǎn)的核心系統(tǒng)芯片產(chǎn)品之一。主要功能包括射頻匹配、射頻轉(zhuǎn)換，能夠和CC2530進(jìn)行無縫平衡轉(zhuǎn)換，是一款高性能低成本的RF前端放大器芯片。其中，功率放大器模塊能夠?qū)o線射頻功率提高至+22dBm，低噪聲放大器模塊可以將接收機(jī)的靈敏度提高+6dB，保證無線通信覆蓋范圍，此外，CC2591內(nèi)部集成了RF匹配網(wǎng)絡(luò)，所以在RF輸入輸出部分不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)，適用于所有2.4 GHz無線系統(tǒng)。CC2591從天線接收到射頻信號時，經(jīng)過邏輯選通后進(jìn)入LNA，過濾后的信號通過與CC2530連接的引腳將收到的信號傳輸存入寄存器CC2591，在發(fā)送射頻信號時，經(jīng)過邏輯選通后進(jìn)入PA，將信號放大后通過天線發(fā)送出去。endprint

4.2 智能監(jiān)測模塊

礦山各類環(huán)境的監(jiān)測主要借助于傳感器節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器件，測量所在周邊環(huán)境中溫度、濕度、粉塵、CO2等信號。傳感器的發(fā)展歷經(jīng)了傳統(tǒng)傳感器（Dumb Senor）、智能傳感器（Smart Sensor）、嵌入式Web傳感器（Embedded Web Sensor）的過程，根據(jù)應(yīng)用場景的需求不同，相應(yīng)設(shè)計的傳感器種類也不盡相同，相比較于只具有單一感知能力的傳統(tǒng)傳感器，智能傳感器不僅具有協(xié)作感知、信息交換、數(shù)據(jù)處理的能力，而且能夠根據(jù)環(huán)境的變化做出相應(yīng)的實時反饋，采用智能傳感器布置環(huán)境監(jiān)測模塊部分，不僅節(jié)省了節(jié)點的布置成本，而且提高了數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量。

4.3 電源模塊設(shè)計

無線傳感器節(jié)點工作環(huán)境是野外，感知器節(jié)點應(yīng)充分考慮防潮、防雨、防雷擊、高低溫工作環(huán)境等因素。由于是野外環(huán)境，節(jié)點的供電就不便利，所以要求傳感器節(jié)點必須設(shè)計成低功耗。在礦區(qū)供電方便區(qū)域，電源可通過鋪設(shè)礦用電纜的方式布置，在環(huán)境惡劣供電不便的區(qū)域，可采取節(jié)點自身攜帶蓄電池和太陽能電池板的方式，這樣在保持網(wǎng)絡(luò)正常通信覆蓋的前提下，延長了節(jié)點的壽命和整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，降低了維護(hù)成本。本系統(tǒng)采用基于太陽能電池板和鋰電池的供電系統(tǒng)，為節(jié)點中不同的模塊提供不同的電壓電源，能夠?qū)崿F(xiàn)在有陽光的煤礦礦山野外環(huán)境中為無線感知節(jié)點永久性供電的目標(biāo)系統(tǒng)。

5 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)的設(shè)計，因為核心芯片的選擇是ZigBee CC2530，相應(yīng)的軟件應(yīng)用開發(fā)工具選擇IAR System7.51A。IAR Embedded Workbench是一套完整的集成開發(fā)環(huán)境，包括代碼編輯器、工程建立、C/C++編譯器、連接器和調(diào)試器等各類開發(fā)工具。

協(xié)議棧的選取是德州儀器公司ZigBee協(xié)議棧，通過基于ZigBee通信協(xié)議，利用標(biāo)準(zhǔn)的C語言進(jìn)行相關(guān)的代碼設(shè)計，實現(xiàn)了感知層絕大部分的應(yīng)用要求，并提供了相關(guān)的接口函數(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計時，只需要根據(jù)應(yīng)用要求調(diào)用相關(guān)的接口函數(shù)并配置，然后在應(yīng)用層開發(fā)相應(yīng)的程序。目前為止，TI公司所提供的協(xié)議棧到目前為止經(jīng)歷了多個版本，根據(jù)應(yīng)用需求，我們選取官方網(wǎng)站提供的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本，在IAR開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯和相關(guān)代碼下載，根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)分為以下幾層：應(yīng)用層（APL），硬件抽象層（HAL），介質(zhì)訪問層（MAC），網(wǎng)絡(luò)層（NWK），操作系統(tǒng)抽象層（OSAL），ZigBee設(shè)備層（ZDO）。

基于操作系統(tǒng)的相關(guān)思想，結(jié)合相關(guān)具體的應(yīng)用案例，Z-Stack協(xié)議棧通過構(gòu)建事件輪循機(jī)制，在各層初始化時，整個系統(tǒng)將會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，當(dāng)外部事件發(fā)生時，相應(yīng)模塊將會從睡眠狀態(tài)進(jìn)入到工作模式，系統(tǒng)將會被喚醒，進(jìn)入中斷狀態(tài)處理事件，當(dāng)事件處理結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，則通過判斷事件觸發(fā)優(yōu)先級，依次處理事件。采用這種逐級出發(fā)軟件構(gòu)架可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)所設(shè)計的三維礦山環(huán)境監(jiān)測與系統(tǒng)，通過使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基本實現(xiàn)了大面積區(qū)域內(nèi)實時在線自動監(jiān)測和礦山周邊環(huán)境信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和存儲等環(huán)節(jié)的自動化，很好地解決了礦山環(huán)境信息監(jiān)測中存在的面積大、地形復(fù)雜等問題。

【參考文獻(xiàn)】

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【2】郭鵬.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦山環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與評價系統(tǒng)研究[D].石家莊：河北師范大學(xué)，2011.

【3】趙新卓.基于GIS的邯鄲市礦山環(huán)境信息系統(tǒng)研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2009.endprint