WSN的煤矿安全监测预警体系设计
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大量采集节点随机部署在井下各监测区域，以自组织方式构成簇状网络，某个节点出现故障也不影响网络运行，保证了数据传输的可靠性和系统的安全性。为保证系统的扩展性和易操作性，整个井下监测系统采用模块化设计，根据需要选择不同的传感器模块与采集母板连接。井上监测系统主要是实时采集、存储、监视和处理来自远程终端设备节点的各种环境信息，并且能够随时设定基本阈值、超限报警阈值等参数，实现对井下开采环境的有效监控和管理。
1无线传感器网络的构建
系统层次型网络:采集节点和汇聚节点组成第一层无线网络，汇聚节点和网关节点构成第二层无线网络，网关节点和上位机构成第三层网络。将每一个区域的节点划分为1个簇，作为网络的基本单元，采集节点负责采集该区域内的各个环境变量;区域出口放置汇聚节点，其主要负责簇网络的管理、采集节点采集信息的汇聚与转发。在升井口放置协调器节点(网关节点)，通过网线将其和井外上位机相连，发送网络控制命令，汇聚各个汇聚节点转发的信息，同时，S3C44B0X对信息处理后通过网口将信息传输给井外的上位机。
2系统的硬件设计
传感器节点由低功耗无线单片机MC13213、信息采集模块、无线网关、电源管理模块等部分组成，系统节点集成度高、功耗低、体积小、抗干扰能力强、灵敏度高，发射功率为4dBm，通信距离为30～100m［5］。
2．1采集节点硬件设计
系统无线单片机采用飞思卡尔公司推出的MC13213，其内部集成了HCS08MCU和符合ZigBee技术的2．4GHz无线收发器，采用SIP系统单封装，内含60kBFLASH及4kBRAM，并自带嵌入式闪存，工作电压为2．0～3．4V，集成8位外部中断、8通道10位模数转换、低压检测LVD和看门狗定时器，具有优良的无线接收灵敏度(－94dBm)和强大的抗干扰性能。另外，集成收发/接收(Tx/Rx)开关，外围电路简单，可编程引脚丰富，并包含CAN、UART、I2C等常用接口［5］。无线传感器网络在应用中存在的最大问题就是能量问题，一旦节点的能量耗尽，节点就将退出无线传感器网络，影响整个系统的正常运行。要保证在煤矿井下恶劣环境下传感器能够正常工作，在传感器的选型上，综合考虑了成本、精度和稳定性等因素，采用一氧化碳传感器NAP－505、瓦斯传感器KGS－20、氧气传感器O2－A2和温湿度传感器SHT10。
2．2电源管理模块
电源管理模块为其他模块提供能量，是保证系统正常运行的前提条件。系统中采用了3种节点，为了满足其不同供电需求，设计了2种供电方式:外部直流供电方式和内部电池直流供电方式。由于传感器采集节点是移动的，可以随机放在井下的任何位置采集环境信息，因此可采用电池供电;由于汇聚节点和网关节点是固定在巷道内不需要移动，正常情况下用外部直流电源供电，当发生意外情况导致外部直流电源不能够供电时，电源管理模块会自动切换到电池供电方式，以保证节点和网络的正常运行。
2．3网关节点设计
网关节点处理器模块采用Samsung公司生产的S3C44B0XARM微处理器，其片内集成了ARM7TDMI核，芯片内部集成了LCD控制器、SDRAM控制器、2个串行接口控制器、PWM控制器、I2C控制器、IIS控制器、实时时钟、AD转换等丰富的外围控制模块，提供Thumb16位压缩指令集和JTAG软件调试方式，有4种电源管理模式，支持省电模式，完全能满足系统要求［6－7］。
3系统的软件设计
3．1通信传输协议
在无线传输过程中，由于受传输距离、噪声、现场状况等因素的影响，采集节点和汇聚节点之间、各汇聚节点之间、汇聚节点和网关节点之间通信常常会发生无法预测的错误，影响数据的传递。要保证系统能够可靠地通信，通信传输协议的制订变得尤为重要。为了减少能量的损耗，提取有效数据，通过测试和试验发现，0XAA后跟0X55在噪声中不易发生能量损耗，所以协议规定只接收以0XAA+0X55开头的数据包［8］。采集节点到监控中心的帧有2种:数据帧和状态帧。监控中心到采集节点的帧有2种:查询与控制工作状态命令帧和应答确认帧。
3．2节点程序设计
3．2．1节点工作方式为了保证系统监测的实时性，一方面需要网络对煤矿井下环境进行长期监测，按照设定的周期将采集到的信息送到网关节点，同时，系统必须考虑无线传感器网络的节能问题，由于无线通信能耗是整个无线传感器网络能耗的主要部分，因此着重考虑无线收发系统的能耗管理。另一方面，在有紧急事件发生(如CH4浓度超限、温度超限或者CO浓度超限)的情况下，网关节点需要通过采集节点在尽可能短的时间内得到紧急信息，及时将井下环境信息发送到上位机。基于上述原因，设计了煤矿井下环境监控系统的2种工作方式:定期巡检工作方式和唤醒工作方式，分别实现井下各个监测信息的周期性监测和紧急事件监测。在定期巡检工作方式下，网络的各节点完成部署并形成网络之后，先由网关节点广播1个睡眠命令，通过各汇聚节点中继转发至各采集节点，采集节点收到之后转入睡眠状态;经过1个睡眠周期后各端节点醒来，等待汇聚节点的数据收集命令;当汇聚节点广播数据收集命令后，不同的传感器采集节点进行数据采集，并将采集到的环境信息传送至汇聚节点;汇聚节点将收集到的数据传输给网关节点，这样便完成了1个工作周期。网关节点将收集到的数据处理完毕后会再次广播睡眠命令，以控制各簇节点再次进入睡眠状态［7］。在唤醒工作方式下，无线传感器网络的网关节点和汇聚节点一直处于侦听状态，而采集节点绝大部分时间处于睡眠状态，但传感器将不间断地监测环境信息。当传感器监测到某一数据超限时，例如CH4浓度超过设定的阈值，传感器就以中断的方式唤醒采集节点，然后采集节点立即将采集的数据传向汇聚节点，汇聚节点再经过网关节点将数据传输到井上监测系统，供相关工作人员进一步处理［7］。
3．2．2数据传输过程根据所定义的传输协议，首先，采集节点采集环境信息，包括空气的温湿度及CO、O2和CH4浓度，按照自定义的数据格式形成信息数据包。采集节点发送该数据包，汇聚节点接收到数据包后，修改其中的下一目的节点的ID，之后再转发数据包，直至到达网关节点，完成环境数据信息的无线传输和网关节点对信息的汇聚。
4井上监控系统的实现与监测试验
4．1井上监控系统的实现井上监控中心以MicrosoftVisualStudio2008作为开发平台，采用C#语言对系统进行开发，使用MicrosoftSQLServer2005数据库对数据进行管理，系统要同时完成接收数据、
存储数据、处理数据等多项任务，通过调用System．Threading命名空间里的Thread类来实现多线程。数据的实时动态显示是通过第三方Chart控件实现的。井上监控中心根据功能划分，主要包括数据接收、数据存储、数据显示、预警四大功能模块。1)数据接收模块。井上监控系统通过网线和井下的网关相连接，计算机只需要实时监听本地IP地址的固定端口，基于socket编程技术，根据自定义的数据包格式，接收并提取采集的井下环境信息。2)数据存储模块。当计算机监听并接收到数据后，在对数据处理之前，需要先对数据包进行解析，把数据按采集时间和种类进行分类，分别存储在数据库中对应的数据表中。3)数据显示模块。为了更直观地观测到井下环境数据的变化情况，从数据库中读取对应的环境信息数据，通过第三方Chart控件，将数据动态实时地显示在系统主页面上。4)预警功能模块。井下的工作环境很重要，对超出阈值的节点，对应的节点类型和节点号显示在监测系统超出阈值的节点列表中，以便井上工作人员及时通知井下人员撤离不安全区域。
4．2监测试验
在模拟矿井中进行现场试验，用不同的传感器节点和母板相连，在试验中使用了一氧化碳传感器节点、瓦斯传感器节点、温湿度传感器节点、氧气浓度传感器节点。同时这些节点与网关节点构成监测网络，负责对井下监测区域环境信息的实时采集，并传输到井外的监测中心。由井上监控中心对数据进行存储、处理及实时显示。试验过程中，使用传感器节点30个，汇聚节点5个，网关节点1个。各种环境参数的阈值是通过井上监控中心系统来设置的，当监测结果超过设定的相应最佳参数阈值时，则将所采集的参数类型和节点的编号显示在阈值节点列表中。由于数据都存储在后台的数据库中，调用时比较麻烦，为此设计系统时可以选择需要的参数数据导出到Excel表中，供煤矿专家进行研究。为安全起见，在测试系统的性能过程中，只选取了温湿度传感器，在试验过程中人为地对温湿度传感器进行了加热，试验结果表明:温度变化能够及时地在监测系统中反映出来，系统性能稳定，并能实现对CH4、CO、O2浓度以及空气温湿度的实时监测。
5结语
将无线传感器网络应用到煤炭开采环境监测中，具有传统的井下环境监测无法比拟的优势。基于wsn的煤矿安全监测预警系统是以ARM控制器为核心，以无线传感器网络和Internet技术为支撑的集监测、显示、通信和预警等多功能于一体的煤矿环境实时监测预警系统，该系统充分发挥了两种网络的优点，为煤矿井下开采环境的监测提供了一种有效的解决方案，可提高煤矿井下生产的安全性。
作者：刘铭杨智勇常超单位：重庆工程职业技术学院信息工程学院重庆大学自动化学院
