基于无线传感网络的煤矿安全监测系统设计

李纪榕，李福进*，吴艳微，尉志武

(1.河北联合大学电气工程学院，河北 唐山 063009; 2.燕山大学，河北省测试计量技术及仪器重点实验室，河北 秦皇岛 066004; 3.太原理工大学测控技术研究所，太原 030001)

国内煤矿安全监控系统主要以有线方式实现参数检测与信息传输任务［1］。然而，有线监控系统存在以下不足:系统扩展不方便;重点区域存在大量监控死角;一但有线网络发生故障或遭到破坏，整个系统完全瘫痪，难以满足安全监控及时通信的需求。因此，煤矿井下安全监控系统迫切需要一种结构灵活、扩展性强、布设快捷、安全可靠的通信网络技术［2－3］。

随着传感技术、MEMS技术、无线通信技术、分布式信息处理等技术的发展，无线传感网络技术为解决井下煤矿安全监控问题提供了有效技术手段和途径［4－7］。无线传感网络的快速展开、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点使其成为井下无线通信网络的理想选择，尤其是多跳路由的信息传输方式可克服因巷道弯曲、倾斜等造成的无线信号严重损耗问题。因此将无线传感网络技术引入井下煤矿安全监控系统具有重要的现实意义［8－9］。本文主要针对煤矿安全监控系统构架原理、网络协议、抗干扰算法、硬件设计等方面进行了相关研究设计。

1 监控系统架构原理

鉴于煤矿开采区域广阔，从经济、适用角度出发，井上采用CAN总线网络传输采集到的信息，井下采用无线传感网络技术获取巷道安全环境参数及人员位置参数。系统结构框图如图1所示，在监控系统正常运行情况下，井下形成多个以中继器节点(中心管理节点)为中心的局部无线传感网络，这样就存在唯一的中心控制点，并且是单跳通信，因此，可采用成熟的主从式无线网络控制协议。同时，降低了对终端节点无线通信模块的要求，起到了降低功耗的目的。某个终端节点无法工作时，不会影响整个安全监控系统，重新布设也更加方便。若某个中继器节点无法工作，立即启动自组织协议，形成无线应急通信网络，处理过程如图2所示。由此可见，无线传感网络技术具有有线传输无法代替的优势及特点，无线传感网络通信技术能够更好的适应于煤矿井下安全监控。

图1 无线传感网络监控系统架构

图2 故障发生时形成的应急通信网络

2 监控系统网络通信协议

近些年，Zigbee技术由于具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等特点，被广泛应用于无线网络通信中［10－11］。该协议主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，同时支持地理定位功能。Zigbee自组网通信协议是实现复用型、智能化煤矿井下安全监控网络的核心，主要涉及物理层(PHY)、数据链路层(DLL)、网络层(NWK)和应用层(APL)等。

(1)物理层

主要负责感知数据的信息采集。煤矿井下无线通信实质上是借用巷道的纵向导体作为波导，电波在巷道中传播呈现导波特性。理论研究和实验均表明，利用900MHZ～3000MHz这一频段可以实现井下径向无线通信。井下无线传感网络的物理层设计主要通过理论分析和现场测量的方法，根据井下复杂环境和地质条件对无线传感网络信号传输的影响，建立井下无线信号传播模型;选择电磁干扰和煤岩壁吸收相对较小的无线频段及信道编码方式。本监控网络采用无线电波载波媒体，工作频段为915MHz;采用FEC前向纠错编码技术降低节点之间通信时受到的电磁干扰，提高无线信号传输的可靠性。

(2)数据链路层

负责媒体访问控制和建立节点之间可靠的通信链路，采用基于预约的MAC协议与基于竞争的MAC协议相结合，兼顾适当的差错控制机制。

(3)网络层

主要任务是发现和维护路由，为井下动态拓扑网络提供可靠的路由选择。

(4)应用层

主要负责把系统的应用映射到Zigbee网络，包括应用支持层、设备对象和应用对象。

3 前向纠错编码(FEC)抗干扰算法

由于煤矿井下生产环境复杂，无线电信号在巷道内传播时，易受到煤矿井下高电磁干扰，为保证监控系统工作时的稳定性及可靠性。在网络协议物理层设计中通过选择电磁干扰和煤岩壁吸收相对较小的无线频段仅能够在一定程度上降低电磁干扰，因此对煤矿井下无线网络抗干扰算法进行研究是非常必要的，对于提高无线通信模块接收信号的正确率具有十分重要的意义。本文通过采用FEC前向纠错编码算法来提高网络节点之间无线数据传输的正确率。

3.1 FEC 概述

纠错编码也称为差错控制编码。在实际信道上传输信号时，由于信道传输特性不理想以及加性噪声的影响，接收端所收到的信号不可避免地会发生错误。但实际上，在许多系统中的比特误码率并不能满足实际的需求。此时则必须采用信道编码才能将比特误码率进一步降低，以满足系统指标要求。

FEC系统中，发送端发送能纠正错误的编码，在接收端根据接收到的码和编码规则，能自动纠正传输中的错误。其特点是纠错码信息不需要存储、不需要反馈信道、实时性好。同时，FEC编码可以通过软件实现，降低了系统的成本与复杂性。在工业无线控制系统中，比较常用的差错控制方式是FEC编码方式，本文将该纠错方式应用到无线数据传输系统中进行差错控制，用来提高无线数据传输的可靠性。

3.2 FEC编码算法

FEC编码技术是以信道模型为依据的，有了信道的模型，就能对不同码长和纠错能力的码进行分析，进而进行FEC差错控制系统的性能分析和纠错码地设计。

(1)GBSC信道模型

GBSC信道模型［12］错组率如式(1)所示:

其中:

n:码组长度

m:n长码组内出现的随即错误

α:错误密度指数

pe:误码率

p(n，≥1)=n1－αpe

p(n，m)=p(n，≥m)－p(n，≥m+1)

由式(1)可以看到，应用GBSC模型只要知道两个参数:误码率pe和错误密度指数α，就可计算错组率。误码率是无线信号传输中一个最主要的质量指标。测试误码率可以由发射端发射测试数据，然后接收端接收下来，并对接收的数据和发送的测试数据进行分析比较得到。

(2)FEC算法

设FEC系统中使用能纠正t个随机错误的(n，k，2t)线性分组码，发送端等概率发送2k个码字中的每一个，则码字通过误码率为pe的有扰信道后，译码器输出的码字错误概率(误码率)是:

式中:0≤αm≤1称为纠错系数，它的取值与所采用的译码方式有关。对一般的线性分组码，误码率上限为:

对于GBSC模型，将式(1)代入式(3)得:

如果(m/n)＜0.3，式(1)可进一步简化为:

将式(5)代入式(3)得:

由式(5)和式(6)可得，GBSC的误码率与错组率p(n，≥m)有直接的关系，并和码长n与纠错位数t的比值有关。

由表1可以看出，码长n与t+1的比值越小，误码率越低;相同码长，纠错能力越强，误码率越低，纠错能力是以牺牲编码效率为代价的。随着编码的增加，纠错能力也逐渐增加，同时组错率也增加。因此，综合考虑以上因素，本系统采用(255，223)形式的FEC编码来纠正突发错误或随机错误。该种纠错编码技术能够极大地提高系统的可靠性。

表1 不同码长及纠错能力的错组率

4 传感器节点的硬件设计

传感器节点无线接收模块采用nRF401芯片，这是Nordic公司推出的一款真正的单片UHF无线收发芯片，采用蓝牙技术设计［13］。nRF401采用间歇供电方式，能够有效地降低功耗。传感器节点CPU单元采用MSP430系列单片机，MSP430系列是为低功耗应用开发的，主要节能方法是采取多种工作模式，避免空闲模块浪费能量，使系统仅在需要时才处于工作状态。终端节点因其对计算处理能力要求低采用 MSP430F135单片机，中继器节点采用MSP430149单片机。

4.1 终端节点硬件设计

终端节点的电路结构方框图如图3所示。

图3 终端节点的电路结构方框图

节点电源开启后，甲烷浓度传感器和温度传感器分别从井下周围环境中采集瓦斯浓度和温度。经信号调理电路处理后送入单片机，由单片机对数据作A/D转换、打包等进一步处理后，将数据输入无线通信模块，无线通信模块将数据发送出去，同时单片机控制状态指示灯闪烁一次，无线通信模块亦可以接收数据给单片机。

4.2 中继器节点硬件设计

图4所示为中继器节点的电路结构方框图。

图4 中继器节点的电路结构方框图

电源开启后，状态指示灯亮，单片机自动输出一个开始指令进入输入无线通信模块，无线通信模块将该指令发送出去，等待一段时间后，无线通信模块将接收到的由终端节点发送过来的数据输入单片机，这时状态指示灯灭，单片机对数据进行处理后送到显示模块显示，同时送到存储器存储。当有异常情况发生时，单片机控制报警电路报警。单片可通过USB接口同计算机进行数据交换。上述过程也可通过中继器键盘来控制该中继器是否工作。

5 软件设计流程

终端节点和中继器节点电源开启后，中继器节点发送开始指令，终端节点接收到开始指令后，由甲烷浓度传感器和温度传感器从周围环境中采集瓦斯浓度和温度，信号调理电路对采集的数据进行预处理，再由单片机对数据进行A/D转换、打包等处理，然后终端节点进入发送状态，无线通信模块把数据包发送给中继器节点;中继器节点接收到数据后，由单片机对数据进行处理，然后显示模块显示各终端节点采集的瓦斯浓度、温度以及各终端节点的工作情况。同时存储器记录动态变化的瓦斯浓度，当瓦斯浓度超限或有节点失效时，报警电路立即报警。同时中继器将该局部网络监测的结果经其他中继器送至井上，经协调器配置后，由CAN总线将数据输送到主机，使地面监测人员实时监测井下各处的工作状况。终端节点与中继器节点之间的数据通信流程如图5所示。

图5 终端节点与中继器节点之间的数据通信流程图

6 结束语

针对煤矿有线安全监控网络布设扩展不方便，存在大量监控死角;发生故障或遭到破坏时，整个系统完全瘫痪，难以满足安全监控及时通信的不足。本文提出了一种以低功耗16位单片机MSP430系列单片机为主控制器，基于无线传感网络的监测、监控、显示、报警、通信等多功能于一体的监测系统，充分利用了单片机的集成度高、功能强、体积小、功耗低、性能可靠等特点。与煤矿有线安全监控系统相比，本系统具有较高的矿难抗毁能力。在正常情况下终端节点作为安全监控系统的信息采集源，实现环境参数无死角采集、快速处理和传输，移动目标定位、跟踪、任务分配和协调控制。在矿难情况下，终端节点能够通过自组织形式形成应急通信网络，保证井下信息及时准确地采集与安全可靠地传输。

［1］国家安全生产监督管理局.煤矿安全规程［M］.北京:煤炭工业出版社，2005.

［2］杨维，冯锡生，程时昕，等.新一代全矿无线信息系统理论与关键技术.煤炭学报［J］.2004，29(4):506－509.

［3］ZHANG H R，YU J S D，LIU W.Study on Key Techniques for Multi Scale Expression of Laneway Traverse Data in MGIS［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2007，17(4):508－512.

［4］崔逊学，赵湛，王成.无线传感器网络的领域应用与设计技术［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［5］Ke Liu，Akbar M Sayeed.Type-Based Decentralized Detection in Wireless Sensor Networks［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2007，55(5):1899－1910.

［6］Arora A，Dutta P，Bapat S.A Wireless Sensor Network for Target Detection，Classification，and Tracking［J］.Computer Networks Journal，Oct.2004.

［7］王权平，王莉.ZigBee技术及其应用［J］.现代电信科技，2004，(1):33－37.

［8］马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述［J］.通信学报，2004，25(4):114－124.

［9］李长青，朱世松，赵建贵.煤矿安全和生产监控系统的现状与未来发展趋势［J］.焦作工学院学报:自然科学版，2000，(2):44－48.

［10］万传飞，杜尚丰.一种应用于无线传感器网络的层次型拓扑结构生成算法［J］.传感技术学报，2010，23(3):441－446.

［11］陈娟，李长康，宁新鲜.基于移动信标的无线传感器网络节点定位［J］.传感技术学报，2009，22(1):121－125.

［12］温晓楠，黄克强.基于电力线载波和前向纠错FEC技术的住宅小区自动抄表系统［J］.住宅智能化，2004，(2):72－75.

［13］陈邦媛.射频通信电路［M］.北京:科学出版社，2003.