无线矿井顶板压力传感器网络研究与实现.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 无线矿井顶板压力传感器网络研究与实现 姓名李建婷 申请学位级别硕士 专业通信与信息系统 指导教师李国民 2011 论文题目无线矿井顶板压力传感器网络研究与实现 专业通信与信息系统 硕 士 生李建婷签名 指导教师李国民签名 摘要 冒顶事件作为常见的井下安全事故给国家财产和人民的生命安全造成了巨 大的威胁和损失，加强对顶板压力的监控对煤矿安全生产具有重要的现实意义。 传统的矿山压力观测仪需要人工定时现场读数，无法做到实时监测，并且也不能 够存储压力数据，无法对顶板压力的变化规律和趋势作出系统全面的分析。虽然 也有企业对基于网络的煤矿顶板压力监测系统进行了研究， 但由于多采用的是有 线技术进行网络组建，线路容易老化或遭到腐蚀、磨损,故障发生率较高,误报警 率高。基于无线传感器网络的煤矿顶板压力监测系统可以很好地解决上述问题。 ZigBee 是一种短距离无线通信技术，它具有低功耗、低复杂度、短延时、 低数据速率、低成本的优点。将 ZigBee 引入到无线传感器网络中，可以被广泛 应用到环境监测、智能家居、工业控制等领域。 本文以矿井顶板压力监测系统为研究对象，设计并实现了一个基于 ZigBee 无线压力传感器网络的矿井顶板压力监测系统， 设计的内容包括硬件系统和软件 系统两部分。整个矿井顶板压力监测系统硬件部分主要由传感器节点、路由器节 点、协调器节点和上位机组成，其中传感器节点、路由器节点、协调器节点构成 无线传感器网络负责压力数据的采集并传送给上位机， 上位机负责对压力数据进 行分析和处理。传感器节点、路由器节点、协调器节点的设计均基于 CC2430 无 线射频芯片，辅助以必要的外围电路，采用模块化设计原则，便于硬件系统的维 护和扩充。 重点对压力传感器节点的硬件设计进行了研究。 软件部分针对 ZigBee 协议栈，在 IAR EW 开发环境下设计了网络各节点的软件，并对软件程序进行调 试，将程序烧到节点硬件设备上，进行组网。 与传统方法相比，该监测系统具有免布线、易于维护，抗干扰性强、扩展性 好、灵活性好等优点，可容易的运用到实际的应用中。经过初步的设计和实现， 并通过实验室环境下测试，该系统基本上达到预期的设计目的。 关 键 词顶板压力；无线传感器网络；ZigBee； 研究类型应用研究 SubjectSubjectSubjectSubject WirelessWirelessWirelessWirelessMineMineMineMine RoofRoofRoofRoof PressurePressurePressurePressure SensorSensorSensorSensorNetworksNetworksNetworksNetworks ResearchResearchResearchResearchandandandand ImplementationImplementationImplementationImplementation SpecialtySpecialtySpecialtySpecialty ControlControlControlControl TheoryTheoryTheoryTheory andandandand ControlControlControlControl EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameName LiLiLiLiJiantingJiantingJiantingJiantingsignaturesignaturesignaturesignature InstructorInstructorInstructorInstructor LiLiLiLiGuominGuominGuominGuominsignaturesignaturesignaturesignature ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT As the main safety accident in coal mine, roof accident causes enormous losses and threat to the national property and safety of the lives of the people.Ithas important practical significance to strengthen the monitoring of the roof pressure for coal mine safety. Traditional mining-site observingsystems requires manual timing-reading,cannotdo real-time monitoring. As pressure dataisnot able to stored, the changesonthe roof pressure patterns andtrendscannotbesystematicandcomprehensiveanalysied.Although business-to-network-based coal mine roof pressure monitoring systems have been studied, but they are mostly based on wire techniques. The line waseasyto aging or corrosion, wear, leading to failure and false alarm.Wireless Sensor Network for Coal Mine Pressure Monitoring Systemcansolve the above problems. ZigBee technologyisa new short-range wireless communications technology.Ithas a low power, low complexity, short delay, low data rate, low cost.With ZigBee technique introduced, the wireless sensor networkcan be widely applied to environmental monitoring, smart home, industrial control and other fields. Inthis paper, the design and implementation of a ZigBee-based wireless pressure sensor technology was researched.The network design including hardware and software systems in two parts.The mine roof pressure monitoring system hardware mainly including the sensor nodes, router nodes, the coordinator node and the host computer, of which the sensor nodes, router nodes, the coordinator nodes of wireless sensor networkisresponsible for collecting pressure data and send to the host computer, PCmachineisresponsible for pressure data analysising and processing.Sensor nodes, router nodes, the coordinator node design are based onthe CC2430 RF chip, supporting the necessary peripheral circuits, the principle of modular design, easy maintenance and expansion of the hardware system.The hardware designof sensor nodes are studied primarily.Software components for the ZigBee protocol stack, the IAR EW development environment to design the network each node of the software, and debugging software, burn the program on the node hardware, the networking. Compared with traditional s, the monitoring systemhasfree wiring,easy maintenance, strong anti-interference, good scalability, flexibility, etc., can be easily applied to practical applications.After a preliminary design and implementation, and through testing, the systemisbasically designed to achieve the desired purpose. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsRoof pressureWireless sensor networksZigBee ThesisThesisThesisThesis Application Research 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集团已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题在撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名指导教师签名 年月日 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景 我国是世界上最大的煤炭生产国和消耗国， 煤炭占我国一次能源生产和消费的比重 高达 70左右， 煤炭工业作为基础工业， 在我国的国民经济体系中居于重要地位。 然而， 长期以来由于我国煤矿资源储存环境比较复杂，地质条件多变，自然灾害严重，再加上 技术和管理上的原因，导致煤矿事故频繁发生，煤矿安全生产形势不容乐观。 顶板事故是煤矿五大灾害之一， 全国煤矿顶板事故的发生次数与死亡总人数在煤矿 各类事故中所占的比重一直居高不下。据国家有关部门统计，我国煤矿发生顶板死亡事 故占煤矿死亡事故的 40-50，其中 80发生在采场，工作面来压期间发生顶板事故 的比率占顶板事故 77.4。由此可见，加强对顶板工作面活动的观测，及时预报顶板的 来压对煤矿安全生产具有非常重要的现实意义。 国外一些采矿技术比较先进的国家，如美国、前苏联、波兰等很早就采用微震法、 超声波探测法和钻屑法等来监测冲击地压[1]。 我国自上世纪 60 年代起在顶板的观测和顶 板活动预报方面也开展了大量的研究工作， 这些研究成果把我国矿山压力及顶板活动预 测预报技术推进到国际领先水平。 近年来， 矿山压力观测仪的研制成功和投入使用为获得煤矿顶板压力数据提供了途 径，但是矿山压力观测仪作为一个独立的观测仪器需要有专门的人员定时现场观测， 我 们仅能从仪表上获得顶板离层的历史数据，不能做到实时监控，对于突发的顶板事故， 仪表的声、光报警也只能作用于很小的范围，这必然造成对于某处顶板离层的突变或突 变的征兆我们无法及时获知，不利于我们进一步发现和消除事故隐患。 实际上目前制约煤矿顶板来压预测效果的最大问题应该是无法获得实时的、 全面的 监测数据， 不能为分析和决策提供足够的依据， 如果能够得到全面的、 实时的监测数据， 将会有助于将我国矿山压力及顶板活动预测预报技术推进到一个更高的高度。 为了解决上述问题， 一些企业和研究机构对基于网络技术的顶板压力监测系统进行 了研究，这些系统一般由布置在监测区域的压力传感器、实现数据传输的通信网络和井 外的监控中心组成， 能够实时测量并储存压力数据， 并对获得的压力数据进行处理分析。 但这些系统一般采用有线的方式进行传输，在一定程度上限制了其功能的充分发挥。 针对上述系统的不足， 本论文提出一种基于无线传感器网络的矿井顶板压力监测系 统来实现对矿井顶板压力数据的监测和传输，可以很好地适应煤矿顶板压力监测的需 求。 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 顶板压力监测系统的研究现状 顶板压力监测技术的发展是基于矿压理论[2]的发展为前提。矿压测试技术的系统化 发展始于 70 年代，大体经历了四个发展阶段 l以机械式测量仪表为主的简易仪表发展阶段 20 世纪 70 年代至 80 年代初，用于顶板运动规律的探索和研究，通过监测为理论 分析提供依据，是矿压理论发展的需要。主要以机械简易仪表测量为主。包括顶板下 沉量检测、支柱的工作阻力检测等。该阶段的仪表研究往往是为了解决或验证矿压理论 的某个问题而提出的。 其代表产品有机械动态仪、圆图记录仪、双记仪、液压枕等。 2以电子测量方法为标志的第二代仪表发展阶段 20 世纪 80 年代至 90 年代， 随着矿压理论的不断发展和完善， 许多专家学者提出更 系统完整矿压检测思路，同时电子技术的发展也为这些想法的实现奠定了基础。在这个 阶段产生了典型的以数字测量为主要特征的矿压检测仪器[3]。 其代表产品有钢弦式压力盒传感器及频率计、应变式压力检测仪、数字显示式动 态仪、顶板动态遥测仪系统、数字式顶板下沉报警仪等。 3以微处理器应用为代表的智能化检测仪器和系统构成的第三代仪器发展阶段 20 世纪 90 年代至 90 年代后， 微型计算机技术发展迅速， 计算机芯片的小型化和低 功耗技术应用，为煤矿安全仪表的研究和应用奠定了基础。高速数据运算和总线接口技 术使矿压仪表的智能化和系统化成为可能。 其代表产品电脑动态仪、电脑多功能检测仪、岩体声发射检测仪、数显式微型综 采测压表、综采工作面压力计算机检测系统、煤矿顶板来压预报计算机监测系统、顶板 离层监测、报警系统、综采压力记录仪、巷道断面检测仪、超声波围岩松动圈测量仪等。 4基于嵌入式计算机技术和以太网技术应用是矿压检测技术第四发展阶段 20 世纪 90 年代末至本世纪初，嵌入式计算机技术的应用，可以将一些复杂的算法 模式以程序的形式嵌入到微型化的单元计算机中，使其具备了 PC 计算机的部分功能。 工业以太网技术使具有嵌入 TCP/IP 协议的末端产品接入到计算机网络中，打破了 矿压监测地域的界限， 可以建立整个矿井的顶板监测网络， 实现矿区局域网的信息共享。 具有代表性的技术有煤矿顶板安全在线网络监测系统、岩体或煤体内部应力场电 磁波辐射探测技术、基于微震波的矿震监测技术。 尽管顶板压力监测系统的发展在经历了上述四个阶段以后，已经比较成熟，但是由 于现有的顶板压力监测系统大多采用有线技术进行数据传输， 其在实际应用中还存在着 1 绪论 3 以下缺陷 1布线复杂，安装及维护的成本大 大量使用光缆、电缆使得监测系统价格不菲，在复杂的井下环境布设线路需要人力 物力，维护起来十分不便。 2覆盖范围能力有限 井下环境复杂，有大量的区域难以进行布线作业，很难将井下的所有区域都纳在范 围之内，不能对整个矿井进行全面有效的监控。 3线路稳定性差 光缆、 电缆等有线网络的自我修复能力比较差， 线路的局部损坏就会造成整个系统， 尤其当发生爆炸事故的时候，线缆通常会遭到致命破坏，无法为事故发生之后的工作提 供信息。 为了提高煤矿顶板压力监测的工作效率、保证煤矿安全生产，必须对现有的煤矿顶 板压力监测系统进行改进，以开发出一种能够满足顶板压力监测需求的系统。相对有线 方式而言,无线的方式比较灵活,避免了重新布线的麻烦,无线网络可以适应移动或变化的 需要。因此，研制一种新型的基于无线通信技术的、测量精度高、价格适中、操作方便、 工作性能优良的煤矿顶板无线压力监测装置不仅是必要的而且是可行的。 本文即针对井下环境系统中监测点分散、实时性差、布线麻烦等特点，又结合无线 传感器网络技术，提出了利用无线传感器网络对矿井顶板进行实时监测的方案，对无线 矿井顶板压力传感器网络的组成和实现进行了研究。 1.2.2 无线传感器网络的研究现状 随着计算机技术、网络技术和无线通信技术的发展，以更小、更廉价的低功耗的 嵌入式系统加上网络技术，出现了许多新的信息获取和处理模式，无线传感器网络就是 其中具有代表性的一个领域。 无线传感器网络是当前国际上倍受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的 前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络及无线通信技 术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知 和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送出去，并以自组多跳 的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的 连通[4]。其具体定义是无线传感器网络Wireless Sensor Network，WSN是由大量部署 在监测区域内的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成多跳自组织的网络系统， 能够协同地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中对象的信息，并传送给观察者。无线 传感器网络的研究起步于 20 世纪 90 年代末期。2002 年，美国 Intel 公司发布了“基于微 型传感器网络的新型计算发展规划”[5]，并表示 Intel 将致力于微型传感器网络在预防医 西安科技大学硕士学位论文 4 学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用[6]。其应用阶段将 应用传感器网络于预防医学、环境监测及灾害对策等领域。Intel 的加入使得无线传感器 网络的应用已经从实验室走向了实际的应用市场。 无线传感器网络是一种特殊的无线自组织网络Ad-hoc[7]，与传统的网络相比，它 是一种以数据为中心的自组织无线网络。在无线传感器网络中一般有大量的节点设备， 这些受控的节点模块如果使用电池供电， 成本和功耗就是组建控制网络中最为需要考虑 的两个因素，所以无线传感器网络要突出低功耗、低成本、低复杂度、电池寿命长等特 点。 将近距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术 ZigBee 应用到无线传感器网 络后，它可以被广泛地应用在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑 物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场的安 全监测等领域[8]。 本文所提出的无线矿井顶板压力传感器网络研究与实现是基于 ZigBee 无线通信技 术来完成数据的传输。 1.3 几种无线网络技术比较 目前，短距离无线通信技术，除了 ZigBee 技术外，还存在许多其它技术，有蓝牙、 WiFi和家庭无线射频技术（HomeRF）等，下文将 ZigBee 技术与这些技术作简单的分 析比较，以便于更好的了解它们各自的技术性能和应用领域。 1 蓝牙技术 蓝牙Bluetooth[9]是工作在 2.4GHz 频段的一种短距离无线通信技术。1998 年 5 月， 由爱立信、 诺基亚、 东芝、 IBM 和 Intels 个公司共同提出来。 其标准版本为 IEEE802.15.4， 采用跳频扩谱Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS技术，有效通信距离为 10m， 传输速率已从 720kbps 发展 3Mbps。 蓝牙技术提供一种通用的无线接口， 主要目标是用于实现所有移动设备之间的信息 传输， 其已经在 PDA、 手机和交互式游戏机等领域得到广泛的应用蓝牙作为一种小范围 无线连接技术，能够在设备之间实现方便快捷、灵活安全的数据和语音通信，是目前实 现无线局域网的主流技术之一。但是，蓝牙协议栈的大小在 60-15OKB 左右，协议栈的 复杂度大，同时对内存资源的需求也较大。而且，蓝牙在每个个人区域网Low Rade-Wireless Personal Area Network，LR-WPAN，简写为 PAN，简称为个域网中最多 只能配置 7 个节点，从而限制了其在大型传感器网络中的应用。 2 Wi-FiIEEE802.11 Wi-FiWireless Fidelity[10]即 IEEE802.llx 技术， 其是 IEEE 定义的一个无线网络通信 工业标准，它的传输速率和距离可达 11Mbps 和 l00m。目前比较流行的 IEEE802.11 版 1 绪论 5 本有三个802.lla，其工作频率为 5.8GHz，最高速率为 54Mbps；802.llb，工作在 2.4GHz 频段， 速率为 1Mbps-11Mbps； 802.11g， 工频段为 2.4GHz， 最高速率可达 54Mbps。 802.lla 与 802.11b 不兼容，802.11g与 802.llb 可以完全兼容。 Wi-Fi 的协议比较复杂，实现成本高，而且其优异的带宽是以高功耗为代价的，所 以 Wi-Fi 设备需要有较高的电能储备，这就无法满足其在低功耗技术中的应用。 3 HomeRF 技术 HomeRF 无线标准是由 HomeRF 工作组开发的[11]，旨在家庭范围内，使计算机与 其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF 是 IEEE802.11 与 DECTDigital Enhanced Cordless Telecommunication的结合。它使用开放的 2.4GHz ISM 频段。 采用 FHSS 技术， 跳频速率为 50 跳/秒， 共有 75 个带宽为 1MHz 的跳频信道， 数据传输速率可达 1Mbps-10Mbps。HomeRF 技术最大的缺点是开放性不好，其技术规 范的细节没有对外公布，而且其技术本身还存在抗干扰性较差的缺陷，这些都限制了 HomeRF 作为主流短距离无线组网技术的发展。 4红外技术 红外技术 IrDAInfrared Data Association是一种利用红外线进行点对点的通信技术 [12]。它通常采用 85Onm 的红外光来传输数据信息，其要求设备之间的通信距离不能超 过 10m，目前红外技术的传输速率已经达到了 16Mbps。现在市场上支持该技术的软硬 件都很成熟，在小型移动设备如照相机、遥控器、手机上已被广泛使用。 红外技术具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低的特 点。但是，在使用红外技术进行通信的时候，对通信角度有所要求，其通信角度不能超 过 30o。由于其传输距离有限、传输方向性强等缺点，在应用范围上受到了一定程度的 限制。 5ZigBee 技术 ZigBee 技术是最近发展起来的一种近距离无线通信技术。该技术具有低复杂度、 低 功耗、 短延时、 低速率、 低成本等特点。 完整的 ZigBee 协议栈是由物理层Physical Layer， PHY、MACMedium Access Control Layer层、网络层和应用层组成。ZigBee 并不是完 全独有的全新的标准，其物理层和 MAC 层协议采用了 IEEE802.15.4 标准，其他层是由 ZigBee 联盟ZigBee Alliance制定[13]。 该技术被业界认为是最有可能在工业监控、传感器网络、家庭监控等领域得到广泛 应用的无线通信技术。 表表 1.11.11.11.1 几种短距离无线通信技术的比较几种短距离无线通信技术的比较 规范蓝牙Wi-FiHomeRF红外技术ZigBee 技术 频段2.4GH2.4GH2.4GHz820nm2.4GHz/915 西安科技大学硕士学位论文 6 zz/5GHzMHz/868MHz 覆盖范 围 10m50m50m5m50m-300m 传输速 率 1Mbps 1Mbps /11Mbps 1.2Mbps 1.521Mbps/ 4Mbps/6Mbps 250kbps/40k bps/20kbps 发射功 率 110m W 50mW 70mW 20mW 30mW 0.5100mW 0.5mW3m W 电池寿 命 几个 星期 固定 电源 固定电 源 几个星期6 个月2 年 成本较高高较高较高低 使用权 需要 授权 需要 授权 需要授 权 需要授权免授权 主要用 途 个人 网络 无线 局域网 家庭网 络 透明可见范 围、近距离遥控 家庭网络、 控 制网络、 传感器网 络 在通过分析表 1.1，可以看出 ZigBee 技术在绝大多数方面都占据了明显的优势。 而 环境监测网络的低速特性， 恰恰弥补了 ZigBee 在数据传输速率及覆盖范围方面的不足。 因而选择了 ZigBee 技术作为无线环境监测系统的网络通信协议。 无线矿井顶板压力传感器充分利用传感器技术、计算机技术和通信技术，实现对井 下顶板环境信息的监测，从而为井下的安全提供可靠的信息。 1.4 研究内容和章节安排 在环境监测系统，有不同的平台和组网方式，这必然导致环境监测系统的实现方案 多样化。考虑到环境监测系统在国内外的研究现状、成本、性能等因素，本设计采用 ZigBee 无线网络技术作为数据传输平台。 本文以矿井环境监测系统为研究背景，采用 Chipcon 公司的 CC2430为硬件核心控 制平台，通过传感器来采集矿井顶板压力数据，并把采集到的信息利用无线通信技术 --ZigBee 汇集到网络控制中心，该控制中心再通过串口把数据发送到 PC 机上，设计并 实现了一个无线的实时的矿井顶板压力传感器网络。鉴于以上分析，本文的结构安排如 下 第 1 章绪论。 主要论述本课题的选题背景、 顶板压力监测系统的研究现状及存在的 问题。分析了无线传感器网络的研究现状，对几种无线网络技术的优缺点进行了比较。 第 2 章无线矿井顶板压力传感器需求分析。介绍了无限矿井顶板压力传感器的功 能及构成。在无线矿井顶板压力传感器的需求上设计了它的功能和性能。 1 绪论 7 第 3 章基于 ZigBee 技术的环境监测系统的硬件设计。 介绍了系统的整体设计方案， 基于 CC2430 无线射频模块设计了无线压力传感器网络的压力传感器节点。 第 4 章系统的软件设计。 软件设计主要有采集模块的软件设计、 管理中心处理程序 设计和控制中心的软件设计。 第 5 章系统的功能测试。 对系统各个模块的功能进行了测试， 在此基础上对整个网 络进行了组网试验。 西安科技大学硕士学位论文 8 2 无线矿井顶板压力传感器需求设计 2.1 矿井顶板压力传感器的构成与功能 矿用顶板压力监测传感器一般采用压阻原理测量顶板压力量[14]。 由金属膜电阻及可 调电位器组成惠斯登电桥，当环境中顶板压力引起元件内阻发生变化，由于桥路电压恒 定，必然导致惠斯登电桥的元件发生变化，输出电讯号，该电讯号就反映了此时工作面 顶板压力的变化量。上述讯号经 A/D 转化器转换变成智能信号后送到通信模块 CC2430 进行数据运算、处理、显示。并根据报警值和断电值的设置进行相应的处理。 无线矿井顶板压力传感器由数据采集模块、微处理模块（包括微控制器及其外围设 备） 、无线通信模块、电源模块 4 个部分组成，节点总体结构如图 2.1 所示。 传 感 器 模 块处 理 器 模 块无线通信模块 能 量 供 应 模 块 传 感 器AC/DC 存 储 器 处 理 器 网 络收 发 器M A C 图 2.1 无线压力传感器构成 传感器模块主要负责监测区域内信息的采集并将压力传感器采集的信号转变为数 字信号并送给微处理模块； 微处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务 管理等，最主要的是需要实现网络安全可靠的通信协议； 无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据； 能量供应模块采用 5V 直流电源供电，通过电压转化芯片实现模块的供电。 2.2 无线矿井顶板压力传感器的功能与性能设计 2.2.1 系统功能设计 本设计是基于 ZigBee 技术的环境监测系统。该系统由传感器节点、路由器、协调 器和监控中心组成。该系统的监控中心为 PC 机，控制协调器和 PC 机通过串口进行通 2 无线矿井顶板压力传感器需求设计 9 信。该系统的结构图如图 2.2 所示。 根据矿井顶板压力监测系统的功能需求和体系结构，结合基于 ZigBee 无线通信协 议的无线传感器网络的系统构成， 把系统按照不同的功能需要划分为终端设备、 路由器、 协调器和监控中心。 监控网络由 ZigBee 网络和监控主机组成，如图 2.2 所示。 传 感 器 节 点 路 由 器 协 调 器 管 理 中 心 ZigBee 网 络 图 2.2 系统总体图 监控中心为一台计算机， 计算机上的监控软件记录和存储各终端节点监测的压力数 据，并对数据进行分析处理，将数据处理的结果以及数据的变化趋势显示出来，并且在 压力数据出现异常的情况下发出报警信号。 ZigBee 网络负责生产线上数据的采集、 传输， 它由协调器、 路由器和终端节点组成。 协调器负责发起网络并对其管理和维护，包括对新加入的设备分配网络地址，节点 的加入和离开管理，网络的安全密钥的分发更新等，并且将采集的数据上传给监控主机 或者将监控主机的命令在网络中发送出去。协调器与监控主机可通过串口直接连接， 进 行数据通信。 路由器主要有两个功能一是通过将终端节点上传的信息整合处理，将数据发送给 ZigBee 协调器；另一个功能是完成网络中与其它路由器、终端节点、协调器之间的 数据路由。 终端设备是信息采集节点，即体系结构中的监测节点，实际是由嵌入式传感器构成 的信息采集和发送系统。节点完成对矿井顶板所处压力信息的感知采集，并将获取的信 息通过 ZigBee 无线通信协议发送给无线传感器网络的协调器。 整个无线矿井顶板压力传感器网络的工作流程如下首先网络的协调器启动，建立 无线 ZigBee 网络并建立与计算机的连接。然后，压力传感器节点和路由节点启动，搜 索到无线 ZigBee 网络并加入网络，与协调器建立链路，通信链路建立起来以后，压力 西安科技大学硕士学位论文 10 传感器节点按照程序设定采集压力信息并将数据通过 ZigBee 网络发送给协调器，协调 器接收到信息后通过串口转发给上位机，计算机将接受到的信息存储起来，并通过软件 对信息进行显示分析等处理工作。 在上述流程中，节点周期性采集信息并发送给协调器，形成循环。当有节点请求加 入网络或有节点请求离开网络时，协调器接收加入网络或者离开网络的请求，并作出处 理，实时管理网络。 2.2.2 性能设计 无线矿井顶板压力传感器正常工作，需要其性能满足以下条件 1．适用条件 1环境温度0OC40OC 2相对湿度98 3大气压力80kPa116kPa 4煤矿井下有甲烷，煤尘等爆炸危险的环境中 5有可能破坏金属绝缘的环境中 2．主要性能指标 1信号制式与精度被监测信号为顶板下沉的物理位移量，分辩率要达到毫米级， 量程要达到 60MPa 以上; 2信号处理显示将检测到的下沉量位移信号就地进行处理， 转换为可直接观测的 数据，并在测点处就地显示，方便现场工作人员读取数据; 3信号传输监测系统应能实现远距离数据传输与采集， 方便管理人员及时掌握顶 板支护状态; 4安装使用监测系统的终端装置应体积小、重量轻、安装简便; 5传输距离地面监测中心到最远监控终端的通信距离不小于 20Km; 6实时性能为保证监测数据的实时性， 系统通信传输速率高， 系统巡检时间要短; 7容错和抗干扰性能为了保证系统的长期、 稳定及可靠运行， 系统必须具有基本 的容错能力，主要有上电自检、清零、校正等。 3 传感器网络硬件设计 11 3 传感器网络硬件设计 3.1 硬件设计目标 硬件设计采用模块化、集成化原则，保持各个模块功能的独立性。这样有利于扩充 网络容量和引入新的硬件模块[15]。硬件设计应满足以下条件 1 小型化尽量保证各节点的体积小型化。 无线传感器节点应该在体积上足够小，保证对目标系统本身的特性不会造成影响， 或者所造成的影响可忽略不计。 在某些场合甚至需要目标系统能够小到不容易被人所察 觉的程度，以完成一些特殊任务[16]。 2 低功耗由于设备需要在无人监测下长期使用，所以要使用低功耗的器件来节约 能量延长使用寿命; 3 可扩展性系统的硬件设计应具有较高的可扩展性，以满足以后系统的改进; 无线传感器节点需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件部件时可以 在现有节点上直接添加，而不需要开发新的节点[17]。同时，节点可以按照功能拆分为多 个组件，组件之间通过标准接口自由组合，在不同的应用环境下，选择不同的组件自由 配置系统，这样就不必为每个应用都开发一套全新的硬件系统。当然，部件的扩展性和 灵活性应该以保证系统的稳定性为前提，必须考虑连接器件的性能。 4 稳定性为了保证各监测节点能够正常工作，必须提高硬件的稳定性。 硬件的稳定性要求节点的各个部件都能够在给定的外部环境变化范围内正常工作。 在给定的温湿度、压力等外部条件下，传感器节点的处理器、无线通信模块、电源模块 要保证正常的功能，同时，传感器部件要保证工作在各自的量程范围内。另外，节点硬 件在恶劣环境下要能够稳定工作，一方面系统在各种恶劣的气候条件下不会损坏，另一 方面，所有测量探头都能够尽量接近检测环境以获得最真实的参数信息。 节点的稳定性还需要在软件上得到保证。 软件模块要保证其逻辑上的正确性和完整 性，即本身不存在缺陷。另外，对于敏感数据要以密文形式存储和传送，并且要有数据 完整性保护，以防止外界因素造成的数据修改。 3.2 传感器设计 压力传感器主要用于检测矿井顶板压力的大小。 测点的压力可以通过测量该点的差 压测得，同时把差压信号变换成电信号，这就需要利用压力传感器。本文选用电阻应力 传感器。 电阻应力传感器的核心是电阻应变计，工作的物理基础是它的应变效应，既导体的 西安科技大学硕士学位论文 12 的电阻随着它的机械形状的改变而变化。 应变式传感器是非电量电测法中最常用的传感 器之一[18]。 它以电阻应变片应变