一种用于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络设计.doc

SeriesNo.380金 February 2008 属 矿 山 METALMINE 总第380期 2008年第2期 一种用于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络设计 邓 明 1,2 3 张国枢 陈 蕴 12 1.安徽理工大学;2. 摘 要 无线传感器网络是现代无线通信技术、,是近年来迅速发展的一种新型网络技术,它的出现对环境监测、。在介绍无线传感器网络特点的基础上,,讨论了传感器网络硬件设计原则,给,重点研究了传感器节点硬件结构。与传统的监测系统相比,、。 关键词 无线传感器网络 智能化节点 DesignofWirelessSensorNetworkSystemforCoalMineGasMonitoring DengMing 1,2 ZhangGuoshu ChenYun 12 1.AnhuiUniversityofScienceandTechnology;2.FuyangNormalCollege Abstract WirelesssensornetworksWSNisarisingnetworktechnology,whichintegratestechnologiesofwirelesscommunication,micro2sensorandnetwork1Itwillimposearevolutionaryimpactonfieldssuchasenvironmentalmonitoring,homeautomation,andlogistics1ThepaperdescribesthefeaturesofWSN,analyzestheadvantagesofMSNtechnologyforcoalminegasmonitoring,discussesMSNhardwaredesignprinciples,proposesMSNsystemonitoringminecoalgas,andhighlightsthesensornodesstructure1Comparedwithconventionalmonitoringsystem,thissystemischaracterizesbystructuralflexibility,greatextensibilityandaccuratemeasurement. Keywords Coalmine,Gasmonitoring,Wirelesssensornetwork,intelligentizednode 矿井瓦斯监测系统是煤矿高产、高效、安全生产 的重要保证。20世纪末,我国从波兰、法国、德国等西方国家引进了一批监控系统。同时,国内一些科研院所和企业也展开了研究,先后研制出了KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等煤矿安全监控系统。随着电子技术、计算机技术的发展以及企业自身的需要,又相继推出了一批综合化和数字化监测系统,如KJF2000、KJG2000等。 现有的矿井监测监控系统在保证煤矿安全生产、提高生产率和设备利用率等方面发挥了重要作用,但由于系统监测容量小、电缆用量大、系统性价比低,难以满足煤矿安全生产的需要,特别表现在以下两方面①只能测量固定地方的瓦斯浓度,有测量盲区,对于采掘面等危险地点,大多仍是采用便携仪监测;②没有针对移动监控进行研制,没有用于体积小、功能齐全的便携式仪器接入的移动测控网。 因此,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。无线传感器网络综合 ・1 22・ 了无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统MEMS,以无线方式感知并处理节点实时采集的各种环境信息,通过传输网络传送到控制中心。1 无线传感器网络概述 无线传感器网络wirelesssensornetwork,WSN,以下称传感器网络是由大量广泛分布、具有通信 与计算能力的微小传感器节点构成的、采用无线通信方式构成的自治网络系统。 传感器网络与传统的网络相比,虽有相似之处,但又具有一些特殊的地方。主要表现在以下3个方[123]面 1自组织Self-organized网络。在传感器 3安徽省高校科技创新团队计划项目编号2006KJ005TD,安徽自然科学基金项目编号050450404,安徽省教育厅自然科学基金项目编号2006KJ086B。邓 明1976,男,安徽理工大学能源与安全学院博士研究生,阜阳师范学院计算机与信息学院讲师,236041安徽省阜阳市。张国枢1943,男,安徽理工大学能源与安全学院,教授,博士生导师,232001安徽省淮南市。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http// 邓 明等一种用于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络设计 2008年第2 期网络中,传感器节点通常布设在无网络设施的恶劣的外界环境之中,这要求网络能够在复杂环境中重新组建网络路由。网络节点通过分配协议和分布式算法能够重新恢复其配置,并且动态地创建通信链路。 2动态拓扑网络。根据传感器网络自身的特点,传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效。如在工作和睡眠状态之间切换,电能耗尽,环境条件变化,传感器网络感知对象移动,节点的加入或传感节点的删除等等。点通信时断时通,3节能网络,节点的电池能量有限,,难以给节点更换电池,因而节点间歇式工作。当无事可做时,节点处于休眠状态,当基于外部执行或定时情况下,再将其唤醒。2 瓦斯监测无线传感器网络实施方案2.1 网络体系结构 传感器网络的应用范围非常广泛,其中矿山环境监测是一类典型的应用。由于煤矿瓦斯传感器网络具有拓扑动态变化、数据转发多跳的特点,为了确保网络的通畅与能量消耗节约,采用层次性的网络结构。 一个适用范围用煤矿瓦斯监测的传感器网络系统结构如图1所示。网络底层为部署在采掘工作面中的传感器节点,并构成传感器网络,采集风流中瓦斯浓度。网关搜集网络中的监测数据经过传输网络初步处理后如数据压缩、数据融合等发送到设置在巷道中的基站,基站再通过有线方式传输到地面中央控制机,控制机对数据进行管理与分析,从面实现对井下有线测量盲区的实时监控,监控中心也可向基站发出命令。2.2 传感器单节点体系结构 组建适用于井下瓦斯监测的无线传感器网络,首先要求组成的节点可靠且有效,同时,节点的设计必须满足小型化、低成本和微功耗。 传感器节点通常都是一个微型的嵌入式系统,它不是把原始数据传送给网关,而只是传送需要处理的数据。一个传感器节点一般由5个主要部分组成控制器、存储器、传感器和执行器、通信设备和电源,功能更强大的还含有定位系统、运动系统或执行 [4] 机构、电源再生模块,如图2。 图1 煤矿瓦斯监测无线传感器网络系统示意 图2 传感器节点体系结构 下面结合煤矿行业的特点,给出其核心部件的设计。2.2.1 控制器 控制器是无线传感器节点的计算核心。它负责控制整个传感器节点的运行,采集并处理本身采集的数据,判断何时发送数据,并接收其他节点发来的数据,同时判定执行器的动作。另外,能量计算、数据整合和数据转储程序等都在这个模块的支持下完成。 传感器网络节点中一般采用的微控制器包括Atmel处理器或TexasInstrument’sMSP430,也有采 用IntelStrongArm处理器的。 本设计选用TI公司的MSP430超低功耗处理器。该处理器是专门为嵌入式应用而设计的,采用16位RISC核,时钟频率4MHz,适用于不同类型外 围设备的指令集。它拥有多个12位模/数转器以及可变的片上RAM,功能完整、集成度高,且根据存储 容量的大小可选择多种引脚兼容的型号。2.2.2 通信设备 实际通信中,传感器节点既需要发射机又需要接收机。无线收发机是由上述两种设备组合成的单一实体。由于在无线信道上不能同时进行发送和接收,所以设计中采用半双工通信方式。 ・123・ 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http// 总第380期 金 属 矿 山 2008年第2 期适合WSN的无线收发机有很多,比如RFMTR1000、InfineonTDA525x、MC13192等,其中Chip2con公司生产的CC1000、CC2420是比较典型的产品。 本设计采用CC1000芯片。CC1000芯片基于Chipcon公司的SmartRF技术,工作在300～1000MHz频带,具有250Hz步长可编辑频率。CC1000 根据目标环境选择特殊的能源供给方式,如太阳能、风能、振动能等。 为了适应传感器体积小的特点,设计采用CR2354锂电池。CR2354额定工作输出电压3V,容量350mA・h。常温环境中,保持工作电压2～3V,可持续供电23 结集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解 调等多种功能,补偿。2.2.3 传感器、被,[5] 窄束传感器。、功耗、尺寸、可靠性和成本等因素,设计中选用了MID04智能化红外甲烷传感器。 MID04传感器具有测量范围宽,响应时间快,对 ,,对效、实时和灵活的监测,从而构建了一个统一、优化、共享的矿井综合安全信息系统,提高了系统的可扩展性。随着无线传感器网络技术的日益成熟和完善,无线传感设备性价比的提高以及相关研究的不断深入,与传统网络相比,传感器网络的优势将会更加明显,无线传感器网络技术在矿山环境实时监测领域必定有着广阔的应用前景。 参 考 文 献 [1] 陈永锋,谢小明.矿山安全生产监测系统模型研究[J].金属矿 甲烷气体选择性好等优点。防爆结构为矿用本安型 EXibⅠ150℃,测量范围0～99CH4,测量误差不大于0.10.00～1.00CH4时或不大于10≥1.00CH4时。红外型气体传感器检测原理是不同气体对红外光有不同的吸收光谱,某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度有关。单波长吸收光谱型传感 [6] 器根据Lambert定律 -μcL 1II0e, 式中,I,I0为吸收后和吸收前射线强度;μ为吸收系数;c为介质浓度;L为介质厚度。 从1式可看出,根据透射和入射光强之比,可以得知气体的浓度。2.2.4 传感器节点电源传感器网络一般都布置在人烟稀少或危险的区域,因而对于移动的传感器网络来讲,电源是系统的关键部分,节点的电能一旦耗尽,即宣布其寿命到期并退出网络,由剩下的节点再重新组网。在设计电源时,首先考虑按照要求的方式储能和供电,其次可 山,2006269271. [2] 孙豁然,徐 帅.论数字矿山[J].金属矿山,20072125.[3] 郑少仁,王海涛,刘志峰,等.Adhoc网络技术[M].北京人民 邮电出版社,2005. [4] 孙利民,李建中,陈 渝,等.无线传感器网络[M].北京清华 大学出版社,20051 [5] 马祖长,孙怡宁,梅 涛.无线传感器网络综述[J].通信学报, 2004,2541142124. [6] AkyildizIF,SuW1SankarasubramaniamY,CayirciE1Asurvey onsensornetworks[J].IEEECommunicationsMagazine,2002,40810221141 [7] HolgerKarl,AndreasWilling.无线传感器网络协议与体系结构 [M].邱天爽,唐 洪,李 婷,等译1北京电子工业出版社,2007. [8] 电子技术信息港.近红外波长瓦斯浓度检测技术[EB/OL]1ht2 tp// 收稿日期 2007212210 ・信息苑・ 重庆巫山发现储量达3亿t铁矿 重庆市国土资源局日前表示,在重庆市巫山县 探明一铁矿,已证实储量上亿吨,远景储量估计在3亿t左右,是重庆市迄今为止发现的最大铁矿。 ・124・ 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http// 据介绍,该铁矿带长8.5km,宽2.5km,平均厚度3.3m。铁矿中铁含量平均达到42,超过我国平均水平5个百分点。