基于wifi 的煤矿井下气体监测系统的设计.doc

基于 wifi 的煤矿井下气体监测系统的设计 刘学瑞 中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏 徐州 221008 摘要针对矿井危险气体事故频发及现有矿井有线监测通信系统急需向无线通信系统转变的 实际情况, 文章提出了一种基于 wifi 技术的无线传感器网络监测系统, 节点硬件是基于 Gain Span 公司的低功耗 wifi 芯片 GS1010,软件是基于 -velosity 的嵌入式操作系统,可实现 对矿井中四种气体的监测。 测试结果表明监控系统能够在实验巷道中正常工作及采集气体 试验数据,具有一定的应用价值和市场推广前景。 关键词无线传感器网络;Wifi;GS1010; -velosity;监测系统 中图分类号TD65/TP212.1 The Design of the Gas Monitoring System Underground Based on Wifi Liu Xuerui School of Ination and Electric Engineering,China universtiy of Mining and Technology,JiangSu Xuzhou 221008 Abstract According to the frequent dangerous gas accidents underground and the reality that the existing gas monitoring system in the mine is urgent to translate to wireless communication system, a wireless sensor network monitoring system based on wifi technology is introduced in the paper, the development for the node hardware is according to the low-power wifi chip GS1010 released by Gain Span Corporation, the embedded operating system -velosity is used for the software design. The test shows that the monitoring system can work normally and collect the gas test data under the experimental roadway, having certain application value and marketing value. Keywords Wireless sensor nerwork;Wifi;GS1010;-velosity;Monitoring system 0引言 煤矿气体监测是困扰煤矿安全生产的一大难题, 目前我国各大煤矿的气体监测系统、 井 下与地面信息中心一般通过电缆或光纤连接, 这些线路需要有专业人员建立和维护, 若线路 施工不及时就会造成危险气体漏检。 存在以下缺点①有线通信方式布线复杂, 劳动强度高; ②网络结构相对固定, 不适合掘进工作面延伸的动态变化要求; ③监测点相对固定, 容易出 现监测盲区; ④工作现场的通信线路容易破坏, 破坏后的恢复周期一般较长; ⑤通信线路维 护成本高, 造成部分厂矿出现边维护、 边生产的违规现象, 甚至有些厂矿干脆不维护。 所以, 现有的有线网络较难达到动态全方位监测,需要采用先进技术进行网络改造 [1,2]。 为了降低煤矿生产隐患, 减少事故的发生, 对矿井气体浓度进行全方位的实时监测显得 尤为重要。本文提出了一种基于 wifi 技术的气体实时监测系统,非常适合工作地点动态变 化, 实现了系统的可靠性、 便于安装性及实际可行性, 给煤矿生产工作的顺利进行提供了一 定的保障,为矿井的防灾、减灾以及生产效率的提高发挥一定的作用。 1Wifi 技术及特点 Wifi [3]Wireless Fidelity又称 802.11b 标准,诞生于上个世纪末,第一个版本发表于 作者简介刘学瑞 1989- , 男, 硕士研究生, 主要研究方向为无线传感器网络 . E-mail 1997年, 其中定义了介质访问接入控制层 MAC 层 和物理层。 数据传输速率设计为 2Mbit/s, 后来经改进数据传输速率高达 11Mbit/s。 2个设备之间的通信可以通过自由直接ad hoc 的方式进行,也可以在基站 BS Base Station或访问点 AP Access Point的协调下进行。 可使用 2.4GHZ 直序列扩频,最大传输速率为 54Mbit/s,并可根据信号的强弱将传输速率调 整为 5.5Mbit/s、 2Mbit/s、 1Mbit/s,在 2.4GHz 及 5GHz 频段上免许可使用,具有成本低,终 端便携,带宽大等特点。 Wifi 技术在地面短距离无线通信中已有多年的应用,相对其他无 线宽带技术来说比较成熟可靠,由于 wifi 协议限制网络内设备的功率,使这类设备可以设 计成符合煤矿安全要求的本质安全型设备, 增加在井下的使用范围并且可以改变井下无线通 信的现状。 Wifi 作为宽带接入的一种有效方式,与有线接入相比其特点和优势主要体现在建设 便捷性,不受布线条件的限制;投资经济性,当用户数量增加时,只需再增加几个设备,而 不需要重新布线,具有较强的经济性;业务可集成性, WLAN 可以融合到已有的宽带网络 中,这样可利用已有的宽带有线接入资源,迅速地布署网络,形成无缝覆盖。 2系统节点的硬件设计 2.1设计思路 气体传感器采集环境气体浓度, 通过信号调理电路滤波放大, 然后通过模拟开关将四路 模拟信号四种气体为 CO 、 H2S 、 CH4、 O2分时传送给无线控制芯片 GS1010的 ADC 管 脚, GS1010的 APP CPU将采集到的数据打包之后通过 WLAN CPU将数据打包成符合 IEEE802.11协议的数据无线发送出去;在接收端符合 IEEE802.11b/g协议的接入点Access Point 接收无线载波发送过来的数据,通过 RJ45接口送给上位机。 2.2节点硬件结构描述 节点不仅可以采集四种气体浓度,还可以将电池电量、网络管理等信息发送至上位机。 系统节点的硬件结构包括电源模块、 传感器模块、 处理器模块及其外围电路, 节点的硬件结 构如图 1所示。传感器模块包括气体传感器及其调理电路,负责采集井下空气中气体浓度; 处理器模块负责整个节点的运作,包括能耗管理、网络管理、数据采集、处理及发送等;电 源模块分别输出 3V 和 1.8V 为处理器模块及传感器模块提供能量。 图 1 节点硬件结构框图 Fig1 The block digram of the node hardware 系统节点采用 wifi 解决方案 GS1010芯片,该款无线 SOC 芯片采用双 ARM7内核,包 括实时时钟 RTC、功耗控制单元、闪存 Flash和 SRAM ,并且整合了 wifi 射频 RF前端 和微控制器,具备定位跟踪以及监控物资功能 [4],这样的芯片结构大大减轻了节点设计的复 杂度, 也节省了节点的成本。 电源模块为传感器模块及处理器模块提供能量, 气体调理电路 的输出仅需要连接到 GS1010的 ADC 接口,这样就基本完成了基于 wifi 的气体监测节点的 硬件设计。 GS1010采用 0.18微米工艺制造, 10mm*10mmQFN封装,在硬件设计上节省了 元器件数量,简化了设计电路布线密度,提高了系统的可靠性, 1.8V 工作时电流为 2mA , 3.6V 时为 5mA ,在单节 AA 电池下能维持长达 510年的节点运行寿命。另外,它还支持 IEEE802.11b/g标准, 并提供 802.11iWPA2-PSK、 AES 编码、 EAPFAST 三种方式保证数据 和信息安全。 3系统节点的软件设计 节点的软件开发是基于 -velosity的嵌入式操作系统,具有易使用、实时性强、响应时 间短及源码开放等优点, 非常适合带 OS 的嵌入式 wifi 设计应用。 节点的软件包括用户程序、 API 函数、系统服务、网络协议栈、实时内核及底层硬件的驱动,实现的功能主要包括数据 采集、发送、数码显示、报警指示、网络管理以及能耗管理等。本章节简单的给出节点状态 流程、任务创建及应用程序的实现。 3.1节点状态流程 节点的状态流程图, 如图 2所示, 节点上电时需要冷启动一次 一般在节点部署时完成, 仅此一次,在冷启动过程中,系统会根据存储在 flash 中的参数进行初始化,结束后,节 点加入 WLAN 并且初始化网络协议栈。一旦网络组建完成,服务器的节点注册表将记录节 点的信息, 并允许服务器发送配置或固件的更新至节点。 判断节点唤醒的原因, 节点执行下 面三种任务一、确定无线连接状态的 Linkup trap包;二、响应上位机请求的节点配置更 新;三、执行用户应用程序。相应任务执行完毕,准备待机前设定好节点唤醒时间,必要的 节点信息存入 RTC RAM中。节点待机过程中,低频晶振开启,定时器计时, alarm 管脚激 活、 RTC RAM保存节点状态信息不变。 一旦到达节点定时时刻, 或者定时器未到达而有 alarm 信号输入, 就会触发节点由睡眠到节点的唤醒, 进入唤醒原因判断, 循环进入上述执行流程。 图 2 节点的状态流程图 [5] Fig2 The flow chart of the node state[5] 3.2任务创建 任务创建的准备工作主要完成节点程序运行之前必要参数的配置、 设置工作, 例如上 位机的 IP 地址、 UDP 数据包的端口号、 WLAN 网络的 SSIDService Set Identifier,节点参 数初始化如图 3所示。 图 3 节点参数初始化 [6] Fig3 The initialization of the node parameters[6] 任务创建在函数 GsnAllGasSensorEntry.c 内定义,该程序模块主要完成数据采集任务创 建、消息队列加载、四种气体传感数值局部变量声明、 I/O口初始化、及初始化失败后的节 点如何处理的过程,如图 4所示。程序执行的过程如下系统完成原始初始化后,执行函数 GsnAllGasSensorAppEntry , 创 建 本 地 指 针 指 向 MIB 配 置 信 息 。 第 一 次 调 用 GsnAllGasSensorAppEntry ,将会创建气体传感数据的局部变量、消息队列的 u-velosity 传感 采集任务,创建完毕后,将会调用 GsnAllGasSensorFunctionEntry ,执行采集任务。 图 4 测量任务创建 Fig4 The creation of the measurement task 3.3 应用程序 应用程序主要完成,传感器数据采集,气体浓度值超限报警、数据打包发送及在外部 alarm 触发数码管循环显示四种气体浓度值的功能。传感器数据采集如图 5所示。 任务进入传感器测量循环, 首先判断消息队列传递过来的消息, 如果节点是冷启动或者 固件更新, 为了更新传感器采集时的参数设定, 节点任务请求进入待机; 如果节点非冷启动 或者配置更新,调用 ADC 接口函数分时采集四种气体的浓度值,接着判断四种气体浓度是 否超出设定的警戒值,浓度超限则报警。采样得到的气体浓度值、 AP 节点 RSSI 值,一起 打包入 36Byte 的数组, 通过 UDP 发送。 所有这些操作完成之后, 调用 GsnSenorGotoStandby 减少任务数, 设置下一次的唤醒时间。 此时节点并不是直接进入待机状态, 而是返回到等待 于消息队列,由 PMM 判断是否有其他的任务正在运行,如果没有其他任在执行,节点进入 待 机 状 态; 如果 系 统因 其 他任 务 执行 而未 进 入待 机 状 态, 在待 机 定时 器 到来 时 , GsnAllGasSensorEntry 函数会再次调用, 在这种情况下, GsnAllGasSensorTask 接收到消息队 列中的消息后会再次执行测量任务。 图 5 传感器数据采集 Fig5 The data acquisition for the sensor 图 6 数码显示 Fig3 The display for the nixietube 中国科技论文在线 http// 节点在待机状态时，若 GS1010 的 alarm 管脚检测到按键触发的电平下降沿，节点自动 被唤醒后循环显示 CO、H2S、CH4、O2 浓度值，显示完毕后进入睡眠状态，直到节点的 wakuptimer 定时器将节点再次唤醒。数码显示流程如图 6 所示。 4 监测系统的构成及测试分析 4.1 监测系统构成 监测系统由节点、本安 AP、本安以太网交换机及本安隔爆监控站组成，整个系统以 Wifi 无线网络和 TCP／IP 协议为基本架构，以矿井工业以太环网为整个系统的主干传输平 台，形成有线主干与无线终端相结合的方式，覆盖矿井部分或全部巷道及地面相关区域，最 终实现监测。监控系统构成如图 7 所示[7]。 本安或隔爆监控站 本安AP 本安以太网交换机 电缆 （含ADSL猫） 本安以太网交换机 本安AP 本安AP 1 2 1 2 气体监测节点 气体监测节点 图 7 监测系统构成 Fig7 The constitution of the monitoring system 4.2 系统测试与分析 测 试 系 统 包 括 两 个 气 体 监 测 节 点 分 别 做 RSSI 及 气 体 试 验 数 据 测 试 ， 选 用 AP1270G2-IDU 作为 AP，这是一款可以工作在 2.4GHz 频段，完全兼容 802.11b/g 协议标准 的高性能、高安全性的 AP，内置的单频无线模块，为无线应用提供了极大的灵活性，也降 低了设备所受的干扰及获得更大的覆盖范围， 采用全向天线， AP 笔记本与无线 AP 通过 RJ45 网线连接。试验地点选择在中国矿业大学瓦斯煤尘爆炸试验室的一条巷道中，巷道参数为 138m*2.2m*2.5m长、宽、高，巷道是平直的，相对实际的大巷，巷道的截面积较小。 RSSI 测试节点 3S 发送一次数据，射频发射功率为 9dbm，选择距离 AP138m 的地方 作为测试起点，然后每次以 10m 向 AP 移动，每段距离测试时间 5 分钟，通过 AP 抓得的数 据包进行 RSSI 数据提取，得出节点 RSSI 与距离的关系如图 8 所示。 -6- 中国科技论文在线 http// 图 8 RSSI 与距离的关系 Fig8 The relationship between RSSI and distance 分析从图 8 观测得，除了测试距离为 48m、58m 处 RSSI 的值稍小及 128m 处 RSSI 值稍大外，其他测试点的数据基本满足路径损耗系数模型，RSSI 值与距离成反比。因此， 可以考虑使用信号强度来估计距离，从而使用 RSSI 来实现定位。由于实验巷道是平直的， 内部机械设备非常少，而实际的巷道内电力线、矿用设备等比较多，将会对路径损耗产生影 响。 气体试验数据测试使用 wireshark 工具，它是网络封包分析软件，可以撷取网络封 包，并尽可能显示出最为详细的网络封包资料。测试数据如图 9 所示。图中可以看到两 个节点的 UDP 包，我们选择 IP 地址为 192.168.3.156 节点的 UDP 包，采用十六进制表示， 根据事先的封包格式， 我们对数据包进行分析， CO、 H2S、 CH4、 的采样值依次为 0 x0001、 O2 0 x0001、0 x0000、0 x02ca。此处我们选择 O2 的浓度0 x02ca 转换为十进制是 714， 714 *19.5 20.968（测试之前通入了 19.5的 O2 气样进行校准，将其标定在 0 x298 即 664 十进制 664）。 图 9 Wireshark 截图 Fig9 The screenshot of the Wireshark -7- 中国科技论文在线 5 结束语 http// 本文结合现阶段煤矿安全生产状况及 wifi 的发展现状，应用低功耗 wifi 芯片 GS1010， 设计出了基于 wifi 的气体监测系统，系统节点能够采集气体试验数据，并准确地上传到上 位机，在灵活性、实时性上及数据可靠性上都有很大的优势，为煤矿的安全生产发挥一定的 作用。Wifi 技术作为一种长距离、高复杂度、高数据速率的无线网络技术，将随着技术的 进一步发展，成为实现无线监测系统最理想的应用方案和发展趋势[8]，在煤矿井下有一定的 应用前景。 [参考文献] [1] 张申,丁恩杰,武增.煤矿井下综合业务数字网网络结构的研究[J].煤炭学报,2002,272206～210 [2] 武卫东,王光兴.煤矿瓦斯监测与语音综合业务网络系统体系结构[J].煤炭学报,2006,8535539 [3] 孙戈,徐瑞华.基于 wifi 的井下多功能便携终端的设计与实现[J].工矿自动化.2007,036063 [4] Gain Span Corporation. 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