基于zigbee无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统.doc

第24卷第3期总第108期机械管理开发 2009年6月Vol.24No.3SUM No.108MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Jun .2009 0引言随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要。我国煤矿企业开始重视基础设施建设,加大安全投入。煤矿安全监控系统得到了普遍应用,大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。然而,目前使用的监控系统在井下部分采用的是有线的信号传输方式,使得系统只能在固定的位置工作,移动性差,设备安装的局限性大,在很多方面都不能实现实时监控。以瓦斯监控为例,现有的监控系统很难对采空区、综采工作面等瓦斯气体大量聚集的区域实时监控。 zigBee 技术是一种用于短距离范围内、低传输速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。以zigBee 技术为通信平台构建的的网络,布点灵活,可根据井下实际情况布置、更换监测点,弥补了有线传感器网络布点不够灵活的缺陷;可设置路由协议,布点时不再需要专门的工程技术人员,只需在一定的距离条件下布点,便可进行有效的监测。据此,本文利用无线传输zigBee 技术与基于CAN 总线的煤矿安全监控系统相结合。将工作面的瓦斯值传输到工作面端头的数据接收节点中,并通过CAN 总线传输到地面监控站,从而实现瓦斯源头的实时监测。 1基于zigBee 的无线传感器网络1.1zigbee 协议概述 zigbee 工作于无需注册的2.4GHzISM 频段,传输 速率为10250kbps ,传输距离大于100m 。它是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议。zigbee 协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层MAC 和物理层PHY 。 2.4GHz 频带提供的数据速率为250 kpbs 。IEEE802.15.4MAC 数据包的最大长度为127字节。每个数据包都由头字节和16位CRC 值组成。16位CRC 值验证帧的完整性。此外,IEEE802.15.4还可 以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法,所有 特殊ACK 标志位置1的帧均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上已经被传递了[1]。 1.2Zigbee 网络结构 zigbee 无线网络可采用多种类型的配置。IEEE8-02.15.4/ZigBee 协议中明确定义了三种拓扑结构星型结构star、簇树结构Cluster tree和网状结构mesh,如图1所示,网络中的所有其他设备,均作为终端设备直接与zigBee 协调者通信。在Mesh 或簇树网络中,zigBee 协调者负责启动网络并设置某些关键参数,但是网络可以通过zigBee 路由器进行扩展。在簇树网络 中,路由者采用分级路由策略传送数据和控制信息;树状网络通常使用基于信标的通信模式。Mesh 网络允许完全的点对点通信。 在网络中同时存在2种不同功能的设备类型,即全功能设备FFD和精简功能设备RFD。FFD 指的是具有完整功能的设备,它可以作为网络的主协调器,也可以作为簇头或叶设备使用。1个FFD 同时可以和多个RFD 或多个其它的FFD 通信。RFD 指的是简化功能的设备,只能作为叶设备使用,1次只能和1个 FFD 通信。系统的网络节点覆盖整个监测区域,绝大多数的设备都是FFD 设备。系统将一定区域内的节点分为1簇,簇内的节点通过分簇算法选举产生簇首。 通信时,簇内的每个节点都会将数据传递给簇首,然后由簇首通过路由选择机制将数据通过相邻的簇首节点转发,最后传输给终端接收设备。 【摘 要】 提出了一种以zigbee 无线通信技术与CAN 总线监控设备相结合组建的煤矿安全监控系统。凭借基于 zigBee 技术的无线传感器网络节点可移动、组网快速简单、成本低、网络易维护等特点,实现井上监控室到井下主巷 道和分巷道工作面之间的通信,实现对井下环境全方位实时监测,大大降低煤矿生产安全隐患。该监测系统有着很大的推广应用价值。【关键词】 煤矿;监测系统;无线传感器网络;zigbee 【中图分类号】 TP393.08【文献标识码】A 【文章编号】1003-773X 200903-0194-03 基于zigbee 无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统 李晓帆,刘天生 中北大学化工与环境学院,山西 太原 030051 作者简介李晓帆1982-,男,山西太原人,在读硕士研究生,主要研究方向安全管理及评价。 收稿日期2008-11-17;修回日期2009-03-03 图1Zigbee 无线传感器网络结构 194 第24卷第3期总第108期机械管理开发2009年6月 李晓帆基于zigbee无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统 2系统总体方案 2.1系统体系结构 在传统的煤矿瓦斯监测系统中,由于监测系统的设施、装置等位置比较固定,因而使得井下信息采集节点如瓦斯探头、粉尘监测器等不能随着采掘的进度跟进到位,从而使得监测系统往往形同虚设,再加上矿井下联网有一定的难度,使有关人员无法进行有效的监管,以致事故无法预警。所以我们的设计思想是要让瓦斯监测系统能够随着采掘的进度跟进到位,能够把井下信息实时、准确地传送到相关人员手中。实施方法如下即在主巷道中铺设CAN总线网络,并安置基于CAN总线传输的传感器节点,在不便与铺设CAN总线的采空区、综采工作面等地采用Zigbee无线传感器网络。 根据节点是否经常移动分为固定数据接收节点和移动数据采集节点两类。相对固定的节点主要安排在巷道的拐弯处或交叉口的固定位置,用于巷道内环境数据进行监控、转发移动节点的通信数据,保持无线链路的畅通和传感器网络的稳定性。因此大多固定节点为全功能器件和网络协调器。固定节点用CAN总线连接,一方面解决传感器节点电力受限制的问题,并可以减少网络拓扑的电力消耗,另一方面也可以在原有的井下监测系统的基础上进行升级,减少资金投入。移动结点主要用与每个作业人员或作业机器所处位置的监测,可以安装在煤矿工人的矿灯上,也可以安装在矿车、挖掘机等机械设备上,还可以随机安装在瓦斯涌出变化较快的关键位置。这样矿工身上佩带的节点和坑道中放置的节点可以自组织成一个大规模的无线传感器网络,将数据传输给固定节点,并通过与固定节点相连接的CAN总线将数据传输到地面监控中心[2]。 2.2固定数据接收节点设计 固定数据采集节点主要由zigbee模块CC2420E-M、集成CAN通信控制器的C8051F020单片机、CAN 总线收发器、瓦斯传感器、瓦斯报譬器等组成。固定节点不但是无线网络中的全功能器件也是CAN总线系统上的一个节点,完成与CAN总线的连接。如图2所示 德州仪器TIzigbee模块CC2420EM,射频芯片CC2420,支持zigBee协议栈。该系列zigbee模块可通过SPI接口方便地与8位或16位MCU相连。模块特点工作频率带宽2.4002.4835GHz、数据速率达250 kbps,码片速率2Mchips/s、输出功率可编程控制-25.20dbm、低功耗RX18.8mA,TX17.4mA[3]。 CYGNAL公司的C8051F020,属增强性8051单片机系统,自带AD,捕获功能,系统主频22MHz。此芯片在内核上与INTEL8051体系兼容,在同一外部晶体振荡频率下,性能是标准51系列处理器的12倍。外部存储器RAM512K,采用存储体切换模式工作。通信接口实现2路RS232/RS485电气标准接口,为与其他网络的连接提供了便利。I/O功能模拟与脉冲输入信号的调理功能,保证了信号的可靠传递和抗干扰、电气安全保护能力,具有8路420mA电流输入、2路脉冲信号输入、1路比较器输入、3路开关量输入、4路开关量输出。供电电压DC5.0V/300mA。 SN65HVD230是德州仪器公司生产的3.3CAN总线收发器,主要是与带有CAN控制器的TMS320Lx240 x系列DSP配套使用,该收发器具有差分收发能力,最高速率可达1Mb/s。SN65HVD230可用于较高干扰环境下。该器件在不同的速率下均有良好的收发能力,其主要特点如下完全兼容ISO11898标准;高输入阻抗,允许120个节点;低电流等待模式,典型电流为370μA;信号传输速率最高可达1 Mb/s;具有抗瞬间干扰,保护总线的功能;斜率控制,降低射频干扰RFI;差分接收器,具有抗宽范围的共模干扰、电磁干扰EMI能力。 2.3移动数据采集节点设计 移动节点由MC9S12NE64单片机、Zigbee模块、瓦斯传感器、瓦斯报警器组成。如图3所示 MC9S12NE64是一款112/80管脚的高性价比、低端的连接应用MCU系列。MC9S12NE64由标准的内置外设构成,包括一个16位的中央处理器单元HCS12CPU、64K字节的FLASH EEPROM、8K字节的随机存储器RAM、一个串行外设接口SPI、一个 图2固定数据采集节点的结构图 图3移动数据采集节点结构图 195 第24卷第3期总第108期机械管理开发2009年6月 上接第193页 到通用化的目的,本系统针对这种问题而提出了解决方案。本系统特别编制了能把系统数据传递到Excel 中的模块,并能通过更改系统窗体控件的属性值来决定系统数据在Excel 中的位置。例如想要“机床型号”这一项在Excel 表的E8位置输出,就可以把在系统窗体中代表“机床型号”的lable 控件的Text 属性值写成“E8_MachineStyeString ”的形式,系统运行后就可以把数据“MachineStyeString ”传递到Excel 表的E8位置。此模块可根据用户的需要进行定制工艺卡片模板,即用户可根据工艺卡[3-4]。 4结束语 针对工艺信息的获取、工艺规划操作语言的生成、 工艺卡片的输出方式进行较为深入的分析并提出了解决方案,实现了界面的可视化,用户通过使用本系统简单的鼠标点选即可完成工艺规划设计,降低了劳动强度,缩短了产品设计周期,提高了工作效率。 参考文献 [1]邓正宏.面向对象技术[M].国防工业出版社,2004. [2]王兴波,万 斌,二维零件DXF 数据的获取与数控加工[J ]. 制造业自动化,2003634-36. [3]褚建立,吴玉发,黄永铭.基于特征的CAPP 零件信息描述和输入方法的探讨[J].河北农业大学学报,1996461-63.[4] 王 波,宋长新,程敬之.自动特征识别的新方法[J].西安交通大学学报,20028806-809. Graphic-Driven Design and Implement of Navigated by Equipment Capacity Process Planning System YUE Yan-xiang ,LIAO Xiao-ping ,WANG Qing-pu Mechanical Engineering College of Guangxi University ,Nanning 530004,China 〔Abstract 〕 The paper describes a process planning system based on the navigation of equipment capacity,the system is specified,open, universal graphic-driven process planning and can be customized by user.The systems user interface is based on object-oriented graphics-driven interactive mode,realizing the visualization;the system actualized the picking up the parts ination by using the readout of DXF graphics files and the output of processing card using .Net and Excel interoperability technology. 〔Key words 〕 Graphics driver ;Parts ination ;Processing card;Process planning IC 互连总线IIC 、一个8通道10位模数转换器 ATD 、多达21个管脚可用于键盘唤醒输入KWU ,还有两个额外的外部异步中断。内置的PLL 电路允许对功耗和性能进行调节来满足运行要求。此外,内置的带隙基准稳压器VREG_PHY 将3.15V 到3.45V 的外部工作电压转换成2.5V 的内部数字电源电压VDD 。MC9S12NE64完全采用16位的数据通路。 无线模块同固定节点一样选用德州仪器zigbee 模块CC2420EM,只不过只是作为简单工作器件RFD使用[4]。 3结束语 本文介绍了一种采用ZigBee 无线传感器网络与 CAN 总线技术相结合的煤矿监测系统。凭借基于 zigbBee 技术的无线传感器网络节点可以移动、组网快 速简单、成本低、网络易维护等特点,对煤矿井下各类参数如瓦斯气体浓度、粉尘浓度等进行实时检测与控制,具有快速的井下处理能力井下检测、井下运算、井下报警,是解决煤矿安全生产问题的重要手段。 参考文献 [1]顾瑞红,张宏科.基于zigBee 的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用,2005,3161-3.[2]王帅,邵明杰,张万泽.基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统[J].中国新通信,2007113-15.[3]杨扬,朱善安.基于无线传感网络的环境监控系统的设计和实现[J].工业控制计算机,2007,2096-9.[4] 蒋 挺,赵成林.紫蜂技术及其应用EMI .北京北京邮电大学出版社,2006. Mine Monitoring System Based on zigBee Wireless Sensor Network LI Xiao-fan ,LIU Tian-sheng College of Chemical and Environment ,North University of China ,Taiyuan 030051,China 〔Abstract 〕The paper puts forward a scheme of monitoring and control system for coal mine safety Established by combining a wireless communication technology of Zigbee with existing monitoring equipments based on CAN bus.Because of the characteristics of ZigBee wireless sensor network,such as node movable,rapid and simple in networking 、low cost 、easy maintenance,the system can realize the wireless communication among the ground monitor plat and the underground work plats of mine,can realize a full range of real time monitoring of bottom enrironment and reduce voal mine safety.This monitoring system has great application volue. 〔Key words 〕Coal mine ;Monitoring system ;Wireless sensor network ;Zigbee 196