基于云计算的矿井无线传感网络火情远程监控系统

陈 勇， 徐 钊， 张 雪

（1.南京龙渊微电子科技有限公司 江苏 南京 211106；2.河海大学 研究生院，江苏 南京 211100）

矿井里面由于存在大量的煤气等易燃易爆气体，很容易发生火灾，一旦矿井中发生火灾，往往伴随着爆炸和塌方，会给矿工的生命财产带来巨大的威胁，会给国家带来巨大的损失。

人们想了很多办法来监控矿井下的情况，目前人们普遍采用的是利用电缆来铺设检测网络，但是由于矿井里面结构复杂，现有的监控方法和系统存在安装不便、维护不便的问题，并且监控系统容易损坏，维修起来非常困难。笔者针对矿井的实际需求，应用了无线传感网络技术，并且结合了云计算设计了一个对矿井内火情进行远程监控的系统[1-2]。

1 系统概要设计

一种基于云计算的无线传感网络火情远程监控系统整体示意图如图1所示，系统主要由包括通讯基站、无线传感器网络和云计算平台，主要经由无线传感采集矿井内部的温度和一氧化碳数据，然后通过通讯基站将数据发送到云计算平台，在云计算平台上对数据进行处理，矿井专家系统对接到云计算平台后分析数据，然后将信息反馈给矿井管理中心，最后管理中心再根据所得到的信息使用执行器实时地调节矿井内部的温度以及一氧化碳量，以保证矿井的安全[3]。

图1 无线传感网络火情远程监控系统整体Fig.1 Whole system of wireless sensor network fire remote monitoring

监控系统是基于网状结构的，无线监控网络包括矿井无线传感节点、矿井无线路由节点、矿井无线网关执行器驱动节点。在监控网络中多个矿井无线传感节点和矿井无线路由节点组成网状网络，其他矿井无线路由节点和矿井无线传感节点，以及矿井无线网关执行器驱动节点能自由退出和加入无线网络。多个矿井无线路由节点与矿井无线传感节点形成网状Mesh网络，每个矿井无线路由节点为Mesh网络中的路由节点，当矿井无线传感节点离矿井无线路由节点太远超过无线通信距离时，可逐级多跳通过其他矿井无线传感节点与矿井无线路由节点进行通信，或者当网络中断时自动通过其他矿井无线路由节点通信，矿井无线路由节点能自由加入和退出无线监控网络，实现整个无线监控网络的自组织和自恢复。路由节点会将数据发送到云计算平台，在云计算平台上对数据进行处理，矿井专家系统对接到云计算平台后分析数据然后反馈信息给矿井管理中心。白色圆点为矿井无线传感节点，黑点圆点为矿井无线路由节点，方形点为矿井无线网关执行器驱动节点。具体而言，在网状网络中，每个火情无线路由节点（无线传感器节点）为矿井网络中的路由节点。

2 系统硬件设计

一种基于云计算的矿井无线传感网络火情远程监控系统[4]，包括通讯基站、无线传感器网络和云计算平台，所述无线传感器网络通过通讯基站与云计算平台相连接，该无线传感器网络包括用于采集煤矿安全数据的无线传感器、执行器和用于传输煤矿安全数据的无线网关，所述无线传感器、执行器和无线网关相连接。

所述无线传感器包括无线一氧化碳传感器、无线风压传感器和无线温度传感器；执行器包括温度控制器和一氧化碳控制器。

所述无线一氧化碳传感器包括一氧化碳传感器、msp430微处理器、CC2530射频模块收发器和RS232收发器，其中一氧化碳传感器、CC2530射频模块收发器和RS232收发器均与msp430微处理器相连接。

所述无线风压传感器包括风压传感器、msp430微处理器、CC2530射频模块收发器和RS232收发器，其中风压传感器、CC2530射频模块收发器和RS232收发器均与msp430微处理器相连接。

所述无线温度传感器包括温度传感器、msp430微处理器、CC2530射频模块收发器和RS232收发器，其中温度传感器、CC2530射频模块收发器和RS232收发器均与msp430微处理器相连接。

温度传感器、一氧化碳传感器与无线传感节点对接，采集矿井环境内的温度和一氧化碳，然后经过无线传感操作系统实时的调度通过CC2530模块将矿井环境内的温度和一氧化碳数据发送给无线传感路由节点，路由节点收到数据后又转发给无线传感网关节点，无线传感网关经过无线传感操作系统的调度通过CC2530射频模块接收数据并得到温度和一氧化碳数据，然后通过网络接入到因特网把数据传送到云计算平台，专家系统登陆云计算平台后取得相应的数据并判断否则要调节温度，如果需要则控制温度和一氧化碳控制执行器对矿井温度和一氧化碳进行调节。

如图2所示是矿井无线传感节点硬件原理图，主微处理器为msp430单片机，同时接入CC2530射频模块无线收发模块，温度和一氧化碳传感器接入msp430单片机中，负责采集矿井室内的温度和一氧化碳数据，经过msp430的AD转化通过CC2530射频模块无线收发模块发送给矿井无线传感路由节点。

图2 矿井无线传感节点硬件原理图Fig.2 Mine wireless sensor node hardware principle diagram

如图3所述是矿井无线路由节点硬件原理图[5]，主微处理器为S3C2410，同时接CC2530射频无线收发模块，接入网卡通过因特网接入云计算平台，同时处理器还通过IO口接入光耦和固态继电器控制器对温度和一氧化碳进行控制。首先通过CC2530射频无线收发模块接收无线传感节点传送过来的温度和一氧化碳数据，然后将数据通过网卡传送至云计算平台，专家系统接入到云计算平台上分析矿井温度数据作出判断如何控制温度和一氧化碳控制器，将判断结果发送到微处理器S3C2410，微处理器根据判断结果对温度控制器进行相应控制。

图3 矿井无线路由节点硬件原理图Fig.3 Mine wireless routing node hardware principle diagram

3 系统软件设计

如图4所述是矿井无线监控网络初始化流程图[6]，软件实现过程：系统在软硬件初始化后开始建立新的网络，对各信道进行能量扫描，选择一个空闲信道；找到合适的通道后，为新网络选择一个网络标识符从而建立新的传感器网络，并允许矿井无线路由节点加入，同时路由总节点和云计算平台进行数据循环对接；扫描是否新的无线路由节点加入网络，如有且确认是矿井无线路由节点，则允许其加入并分配16位的网络地址。

图4 软件流程图Fig.4 Software flow chart

4 结 论

本系统与现有技术相比，其显著优点为：1）本系统借助无线传感操作系统的实时调度功能，将无线传感网络很好在矿井环境中得到了应用，同时将环境的数据能实时传送到云计算平台，从而便于与各种矿井专家系统进行对接，避免了传统的矿井电缆布线监控和本地数据分析的局限性；2）本系统具备低成本、自组织、系统功耗低、信息交互方便等特点。

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