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1、基于无线传感网络的煤矿瓦斯检测系统近年来瓦斯爆炸的安全事故频频发生，严重威胁了生产的安全，给国家和人 民造成重大的损失。其中一个很重要的原因就是瓦斯生产的安全，给国家和人民 造成了重大损失。其中，一个很重要的原因就是瓦斯监控设备不能很好地发挥作 用。传统的瓦斯监控设备，监控范围有限，并且基本采用有线模式传输信号，在 矿井中使用十分不便。而无线传感器网络存在监测区域内大量的廉价微型传感器 节点，通过无线通信方式组成的一个多跳的自组织网络，其目的是采集和处理网 络覆盖区域中被感知对象的信息，并通过无线模块发送给观察者。是集数据的采 集、融合、分析、传输于一体，具有展开快速、可靠稳定、可维护性好等特
2、点， 特别适用于环境恶劣、不方便人工监控和通过有线网络监控的场所。如果将其应 用于煤矿中，配上上层监控软件，可以很好地实现对煤矿内重点区域瓦斯浓度的 实时监控、显示和预警，对煤矿的安全生产起着非常重要的作用。下面就提出一 种基于无线传感网络的煤矿瓦斯预警系统的设计方法。1、系统构架设计井此舒矿井瓦斯监测系统由监测传感器、井下分站、信息传输系统和地面中心等部 分组成。井下分站和地面中心站的连接部分即是信息传输系统。信息传输系统按 结构可以分为放射状、环状和树状三种。在同等的监控容量的情况下，减少系统 的分支，井下各分站就近接入由井上中心站下来的系统电缆。在无线通信设计中 井下现有光纤通信系统相当
3、于树的主干，井下各分站由无线通信系统中的主节点 代替，各个主节点接入多个无线传感器子节点，每个主节点与其接入的子节点构 成一组。井巷瓦斯监测无线通信系统是结合井下现有光纤通信系统和无线瓦斯传 感器网络提出的一种瓦斯监测系统。利用每一个传感器均具有的检测功能，同时 又具有信号的接收、处理、判断、控制检测系统开关、发送以及根据信号对检测 系统开关进行控制的特点。2、传感器节点设计传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块及电源模块4 部分组 成,如图 2 所示。传感器模块负责监测区内信息的采集和数据转换;处理器模块负 责控制整个传感器节点的操作,接收和处理本身采集的数据以及其他节点发来的 数
4、据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信 ,交换控制消息和收发 采集数据;电源模块为传感器、处理器及无线模块提供运行所需的能量,并对其进 行管理,以达到最大的使用效率。(1) 传感器节点硬件电路设计从传感器节点的系统造价、开发程度、资源处理能力、基本通信协议能力、 二次开发能力及其通信可靠性方面考虑进行硬件电路设计。1）微处理模块。采用ATEML公司的AT2MEGA128AVR微处理器（8位），其128 kB 的系统内可编程Flash存储器，4 kB的EEPROM、4 kB的SRAM基本满足了系统 对存储空间的要求，不需要扩展存储空间,减少了系统的能耗；8通道10位A / D转换器基本
5、满足了传感器数据转换和精度的要求；6种可以通过软件选择的省 电模式，为系统节省大部分电源；先进的指令集以及单周期指令执行时 间,ATmega128的数据吞吐率高达1 M IPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗与处理 速度之间的矛盾。2）无线模块。采用由（Chipcon公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块 CC2420,它是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件，其MAC层和 PHY层协议符合802. 1 5. 4规范,工作于2. 4 GHz频段。该芯片只需极少外部 元器件,可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输支持数据传输率高达 250 kbit/ s,可以实现多点对多点的
6、快速组网，系统体积小、成本低、功耗小， 适于电池长期供电,具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。3）传感器模块。采用红外型气体传感器，其检测原理是：不同气体对红外光有 着不同的吸收光谱，某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关，利用这 一原理可以测量某种气体的浓度。随着光电器件技术和微电子技术的迅速发展， 目前已经出现了性能良好的红外发光光源、窄带滤波片和性能稳定的红外探测器 这为我们研制一种适合煤矿井下使用的红外甲烷传感器创造了条件。利用红外吸 收原理研制的 CDE=4 型传感器具有测量范围宽、响应时间快、对甲烷气体选择 性好、不中毒、寿命长、自动清零、无需调校等突出的优点4
7、）电源模块。主要为传感器、微处理器、无线收发器提供能源,并对电源进行管 理,以提高能量的利用率,一般采用干电池供电（2节1. 5 V）。（2）传感器节点的基本工作流程节点的基本工作流程主要包括系统上电自检、数据采集模块、数据接收与发 送及电源管理等模块。系统上电后启动程序,对各端口进行配置,利用中断的方式 执行相应的模块。基本工作流程如下图所示。足和有数掘遂送？定时口】断Y采集中断7賁询相邻节点 发送数拥进入 彳木I展状态建立连揉 接收数撇启动?VD 转换采华c幵始）上屯初始彳七3、网关板的设计网关节点主要是接收来自其他节点的数据,并对数据进行校正、融合等处理, 既发给监测中心,又对监控中心所
8、发的指令进行相应处理。接收数据部分用 CC2420无线收发芯片，可以统一传输协议，保证传输的可靠性。由于还要进行数据 处理,网关节点就不附加传感器,以提高处理器对数据的处理能力,同样采用 ATMEGA128芯片。监控中心一般远离监测点，采用西门子公司的MC55 GPRS模块来 实现数据的远程传输。该模块内嵌的TCP / IP协议，既降低了设计的难度，又提 高了微处理器处理其他数据的能力。MC55与单片机的连接非常简单，标准的串口 可直接与单片机的串口连接，如果不连接到PC机还不需要扩展接口 ;MC55支持标 准的AT命令，其通信可以调用相应的AT命令实现。网关节点基本工作流程如图所 示。月艮分
9、册扌皆令C J验， 笈送连侵洁伞、 建立雄接数排亍赴坦i寸厂包找送按描令执行14、无线传感器网络瓦斯监测系统的软件开发Tiny-os是加州大学分校专门为无线传感器网络开发的一种微型操作系统， 它不是传统意义上的操作系统，确切地说它是一个适用于网络化嵌入式系统的编 程框架，通过在这个框架内链接一组必要的组件，就能方便地编译出面向特定应 用的操作系统。在tiny-OS上编写程序使用的语言为nesC。以C语言为语法基础， 为支持基于组件的编程模式，引入了接口和组件的概念。（1） 节点检测模块软件实现 程序开始，传感器节点初始化，然后进入低功耗工作（睡眠）模式等待被唤 醒，处理器处于空闲状态，但SPI
10、端口和中断系统仍将继续工作，随时接受系统 中断请求。当采集定时间到时，系统发送信号采集请求，节点进入工作状态，采 集瓦斯浓度数据并发送。发送完毕后，系统又返回到低功耗模式。在低功耗模式 下，如果有允许的中断请求发生，CPU将被唤醒并进入工作状态，执行中断服务 程序。中断返回后，系统又回到低功耗模式。如此循环反复，监控煤矿内瓦斯浓 度变化。设崖初始迪倍槌决收到信7T始浓度数值TE帯传感器节点內部软件运行流程设登初蛤显示输出向通佶模块发送数*数据采巢耳处理模快报警-H呈用百分钟白检初跆化(2)监控软件设计监控软件设计主要由C#完成，负责对采集的数据进行显示、分析和保存。使 用C#可硬实现多种图形，
11、如饼状图、散射图，仅适用少量代码。当采集到的数据 超过预先设定的警戒浓度时，监控系统将发出预警信息，并相应采取有效措施降 低矿井内瓦斯浓度。5、节点的协议为了网络的组建以实现数据的有效传输,并保证节点电能的最大效率,传感 器节点采用Zigbee协议。这些传感器节点只需要很少的能量，以接力的方式通过 无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个节点,从而达到较高的通信效率。 网关节点一部分与传感器节点通信则采用相同协议，而另一部分要与监测中心通 信，采用TCP / IP协议,与监测中心通信利用现有的GPRS网络，不需要单独组网， 能够很容易地连接到Intemet,而MC55模块内嵌TCP /IP协议
12、，降低了设计的难度。6、结语本系统采用CC2420无线模块、ATMEGA128微处理器、温度传感器及MC55GPRS 模块构建无线传感网络，集实时监测、报警、无线通信等多功能于一体的煤矿瓦 斯监控预警系统，充分发挥了无线传感器网络监控范围大、间歇工作节省能量、 部署灵活等优点，解决了在环境复杂、恶劣的煤矿中对瓦斯浓度的监控和预警， 不仅可实现煤矿采空区的温度监测，监测范围广，数据的传输和管理方便，而且开 发成本和运行成本低，特别适合于中、小煤矿采空区的温度监测，移植与功能扩展 方便，更换与增加不同的传感器又可构建其他监测网络。参考文献1、徐毅.无线传感器网络原理与方法清华大学出版社 20122、王满福.煤矿通信系统组网模式探讨.通信世界， 2004; (14): 46473、任丰原， 黄海宁， 林闯. 无线传感器网络. 软件学报， 2003; 14(7):12821291
