无线传感网络在煤炭远程监测系统中的应用

陈伟森

摘 要：传统的煤炭监测系统基本上采用有线监测的形式，这种形式施工困难，成本高，应用范围较窄。本文提出了将无线传感网络应用于远程监测系统，这样大大降低了数据获取的局限，结合煤炭行业特点、工作经验、物联网技术、煤炭产量、煤炭产地以及输入与输出，介绍了煤炭产量远程监测系统的形成背景、组成结构、当前的发展现状以及未来的发展前景等，并探讨了无线传感网络技术在这一系统中信息感应、传输与应用等具体应用的实现。

关键词：无线传感网络；煤炭；远程；测试；应用

无线传感网络（Wireless Sensor Network，WSN）综合了传感器、嵌入式计算、现代计算机及网络无线联通、信息分布处理解决、以及高速网络等技术，无论是在什么时间、位于什么地点以及各种环境下获取大量真实并且有重要的信息让群众赞不绝口，从而在真实意义上实现了“全面覆盖”的设计理念。无线传感网络是当之无愧的现代新兴的传感网络，其应用前景相当的普遍，是我国未来经济发展的重要战略性资源，它的进一步发展以及扩大应用，将给人类未来的产业化生产领域送来重要的意义。随着我国当下经济的高速发展，以及现代化建设步伐的快速发展，对各种新型能源的需求量不断的加大，对煤炭的开采量也日益增大。因为煤矿事故频烦的发生，人们的安全质量没有得到有效的保障，基于此国家对煤矿的安全生产提出了更高的要求。因此将无线传感网络应用到远程监控中去的构想正高效解决了这一难题。

1 无线传感网络以及煤炭事业的发展

无线传感网络是传感器技术、嵌入式技术、通信技术、网络技术等飞速发展孕育出的新兴产物[1]。当前无线传感网络一般是通过在监测的范围内随机投放一些传感器的方式，我们人为地利用无线电波将它们各个部分都有效的连接起来，那么各个传感器之间就形成一个自组织、多跳的无线网络。无线传感网络一般由传感器节点、汇聚节点、任务管理节点等构成，典型结构如图1-1所示。在需要监测的区域分布传感器用于采集各方面的数据信息。比如湿度、温度、压力、浓度、噪声，等等。

在商业应用中，无线传感器网络（WSN）就能够使得信息俘获和处理简单化。成功的系统设计和部署是由对RF信道特性的理解，和功耗选择调制机制。WSN的有效范围、数据速率以及电池的寿命是由这些因素决定的。无线传感器网络领域的硕大进步得力于RF器件和微电机系统（MEMS）的日益小型化以及无线技术的进步。传感器网络在收集关于物理世界的参数信息方面提供了一个很有前途的架构，已从军事应用逐步过度到民用环境中。在无线传感器系统中，单个节点能够感应其环境，本地对信息进行处理，或者使用无线链路发送到一个或多个集结点。 所以节点之间的传输距离不远是因为RF发射功率低。传输信号被窃听的概率降低，同时电池的寿命还大大延长了，这是短距离传输的优点。系统的功率消耗是很重要的因为有些节点很难到达，难以更换电池；还有，节点需要工作很长时间。一个重要问题，来自其他系统或者系统内的节点到节点的无线电干扰会降低系统性能。所有这些RF系统问题是将来该领域研究的热点。因为方便安装，不仅点对点的拓扑结构被WSN使用，而且对架构的依赖也降低。WSN使用的架构点对点与传统的无线点对点网络有所区别在于它的性能依赖于传感器节点的特性表现。图2为商业无线传感器节点示意图。节点的组成部分有：微控制器（处理与控制来自传感器的信号）、RF收发器、传感器或者感知环境的传感器、天线（物理环境收发器接口）以及电源（为各节点模块提供电压）。

我国当前综合网络的日益不断建设与发展给煤炭集团教育事业带来了巨大影响以及深刻变革。当下随着无线网络技术的日趋成熟、产业化以及其广泛的应用，它的部署越加灵活，覆盖面越加广，以及传输率不断的上升的特性已经引起了煤炭集团的高度关注以及深度的重视。无线传感网络技术作为一个新兴的、低通道、低数据、低成本、易于规模化布置、低风险以及简洁简单等，在物联网的应用中的起着至关重要的作用，主要在各类数据的采集方面以及传输方面上广泛的使用，当下已经当之无愧的转变为物联网领域里的一道重要的风景。无线传感网络技术所生产的产品广泛应用于交通智能环境保护、群众生活保障、居家安全、工业监测、老人赡养、交通安全、个人环境、等众多的领域行业，前景发展一片光明，是我国以后长久大量高速发展的经济不可或缺的重要战略。本文中具体设计了一个无线传感器网络在煤炭集团大规模远程监测系统，并且在测试中有比较好的效果。

2 煤炭远程监测系统组网

煤炭安全监控系统是当前我国的现代化煤炭企业普遍都安装的，但是安全监控系统大部分都是封闭性的，系统中使用的都是不同厂商自己设计的通信协议和信息交换标准，缺乏有效的数据传输手段，无法对煤炭远程的安全检测数据收集和监控达到统一。因此安全监测系统在煤炭远程安全中的作用大大的削弱。所以改正煤炭远程信息交流的不足，并且使自动化管理水平得到提升，使安全生产信息能够深入到各级煤矿管理和监察机构，现代信息网络技术是必不可少的，安全远程监控网络信息系统的建立是大势所趋。

3 系统硬件设计

3.1 传感器节点设计

传感器节点作为无线传感网络的核心，由传感器模块、通信模块、控制处理模块、能量存储模块等四大模块组成。其节点结构如图3-1所示。

3.2 硬件电路设计

本系统以温度湿度这2个物理量为测量对象，选定了 DHT11数字温湿度传感器，以LPC2200为处理器，来采集温湿度并发送数据，最后DTU通过GPRS来传输数据。具体见图3-2。其中DHT11数字温湿度传感器既可以测量湿度与温度。传感器包括一个NTC测温元件和一个电阻式感箱，并可直接与单片机相连。DHT11数字温湿度传感器体积小、功耗低，信号传输距离可达20m以上。对于温度测量的敏感度为0-100℃、测温误差为±2℃，湿度为20%-90%、测湿误差为±5%。单片机和DHT11之间的通讯采用单线双向制，完整的温度湿度测量时间大约 4ms，一次完整的数据传输为40位数据，而且是高位先输出。

4 基于无线传感器网络的煤炭远程监测系统的软件设计

有一个为无线嵌入式传感器网络设计的开放源代码的操作系命名为TinyOS，其显著特性是基于组件，使用最小代码快速来使用。用户能够根据自己的需要而对TinyOSu的组件进行扩展，包括了网络协议，传感器驱动，分布式服务以及数据获取工具。允许动态性调度是它显著的特性。在本系统中，系统开发环境是基于无线传感器网络，在无线传感器网络中，使用 UC Berkely的TinyOs实现。在TinyOS上编写程序使用的语言为 nesC，nesC为应用于嵌入式系统的一种类C语言，支持基于组件的编程模式，引入了接口和组件的概念。传感器节点部署到监测区域后，要进行初始化，设置相应初始值，然后等待基站发送监测命令，一旦接到命令以后，在额定时间内探测其当前位置的时间段气体浓度值，外一超时，等待下一轮命令后继续测试。当测试结束后，就将有关的数据打包上传到基站，若没有接收到基站对数据的确认，认为没有发送成功，那么将重新采集到的数据进行打包上传。

总之，基于无线传感网络平台的煤炭远程监测系统与在线监测系统具有覆盖面积广阔、支持的节点众多、组网特别灵活、成本低和能耗小等特点，能够有效地满足煤矿、码头等众多场所的煤炭自燃预警与监测的需要。

该系统具有较好的功能扩展性，易于改进以实现其他场所的火灾预警与监测、对煤炭远程监测系统的重要作用以及对社会消防安全机制有着极大的借鉴意义，应用前景非常广泛。因此无线传感网络在煤炭等众多设施的发展是我国重要的发展战略之一.

[参考文献]

[1]袁弱男，李笑，吴乃优，等.无线分布式集成监测网络系统及应用[J].微计算机信息.2003，12（9）：40-41.

[2]马祖长，乔晖，孙怡宁.一种无线传感器网络的设计[J].仪表技术与传感器.2012，11（10）：49.

[3]罗建，戴善溪，等.基于ZigBee 网络的分布式无线温湿度测量系统[J].电子测量技术.2009，12（2）：114-116.

[4]耿新民，孙锦中.基于ARM和GPRS的无线通信系统设计[J].仪表技术.2009，1（32）：58-60.

[5]孙雨耕，张静，孙永进，等.自组无线传感器网络[J].传感器技术学报.2011，3（2）：331-335.

[6]张宏，张丽.基于Web嵌入式的矿井远程监测系统的设计[J].煤炭技术.2011，30（10）：98-100.