基于WIFI和SIM300的煤矿监测系统设计

基于WIFI和SIM300的煤矿监测系统设计

侯捷

(山东科技大学电子通信与物理学院， 山东青岛266590)

[摘要]在复杂的矿区环境下，有线通信有着很大的局限性，难以满足日常工作需要。本文设计的基于WIFI和SIM300的煤矿监测系统，在很大程度上避免了因物理连线断路导致通信瘫痪的弊端，实现将井下环境信息通过无线自组织网络传递至井上，进而通过GPRS技术将数据实时发送到远端指挥中心，同时指挥中心可以采取通话、短信的方式控制处理器实施必要防范措施.

[关键词]WIFI;AdHoc;SIM300;GPRS;实时监测系统[收稿日期]2015-08-12

[作者简介]侯捷(1989-)，男，山东烟台人，山东科技大学电子通信与物理学院信号与信息处理专业2012级在读研究生，主要从事电子通信方面的研究.

[中图分类号]TD65+5 [文献标识码]A

0引言

煤炭行业事故频发，尤其是在情况复杂多变的井下，需要实时监测环境信息，提前做出预判采取必要措施.然而以往通信大多采用物理连接的方式，现在的大中型煤炭企业也相继引入了光纤环网通信[1]，一旦发生断路，所有信息的传递将被截止.因此，保障矿区生命财产安全需要一套额外独立的无线网络对工作环境进行实时监测，紧急调度人员车辆等.设计采用无线传感器收集井下各处重要信息，然后通过无线自组织网络传递到井下WIFI转换器，进而通过有线通信传至井上的处理器，处理器将处理好的瓦斯浓度、温度、图像等数据再经SIM300模块发送到远端的指挥调度中心，如果发现数据异常，调度中心可采用短信、电话等方式将指令通过SIM300发给处理器，处理器根据收到的指令执行相应工作，例如，打开排风扇、播放警告和疏散录音等.设计仅井下至井上一段采用了有线方式，最大程度避免有线通信弊端.

1系统结构框图

系统由地上和地下两大部分组成，地下部分主要有：AdHoc无线自组织网络[2 ,3]、WIFI转RS485转换器、无线传感器包括瓦斯浓度传感器、CO浓度传感器、烟雾传感器、温(湿)度传感器等，地上部分主要有RS485模块、处理模块和SIM300模块等.

2WIFI简介

WIFI是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术，它基于IEEE 802.11系列标准，该标准包括IEEE 802.11、802.11a、802.11b和802.11g.其中802.11a 标准使用5GHz 频段[4]，支持的最大速度为54 Mb/s；802.11b和802.11g标准都使用2.4 GHz频段，802.11g提供最高54Mbps的数据传输速率，而802.11b是使用历史最长的WIFI技术，信号覆盖范围为80～100m.目前常用的展频技术主要有以下4种：DD-SS直序展频，FH-SS调频展频，TH-SS跳时展频，C-SS连续波调频.在以上常用技术中，DS-SS和FH-SS技术很常见，而且可以整合到其他的展频技术上，其组成信号更隐密、功率更低、传输更为精确.整体来讲，展频技术有反窃听、抗干扰、有限度保密等方面的优势.在煤矿井下，随着井下小灵通的使用频段的收回，超低频透地通信系统存在着单向通信、天线架设高、施工难度大等固有缺陷，只适宜用于调度和救灾辅助通信系统；感应通信利用电磁感应原理实现的通信，因此传输参数不稳定和干扰噪声大，不适合用做全矿井无线通信系统；漏泄通信设备多、馈线长且接收局限在离导线30m以内，维护不便；基于WIFI技术的宽带无线通信系统，既解决了传输的距离问题(直巷道覆盖可达500m)，又可以满足矿井本安型的需要.可实现工业以太网的复用，组成星型+树型结构，是当前解决矿井无线通信最具性价比的技术之一.因此WIFI手机以及无线网络已经在各大煤矿得到广泛的应用[5 ,6].

3AdHoc无线自组织网络

WIFI无线网络的拓扑结构主要有两种：分别是AdHoc和Infrastructure[7].本文采用的是AdHoc自组织网络模式，该模式不需要设置任何中心控制节点，各节点之间是对等关系，不仅可以随处移动而且具有报文转发的能力.

3.1路由协议

AdHoc网络中多跳路由是由普通节点协作完成的，必须设计专用的、高效的无线多跳路由协议.AdHoc网络专业的路由协议可分为两大类[8]：① 表驱动的路由协议，优点是延迟时间短，缺点是需要定时更新路由信息，占用大量的网络资源，适用于稳定的小规模网络；② 按需路由，是在需要的时候搜索路由，优点是不用定时更新节点信息，占用网络资源少，缺点是延时比较长.目前常用的路由协议有DSDV、AODV、ZRP、DSR等.

3.2网络拓扑结构

传统的基于WIFI的井下通信网络，主要是建立在以太环网基础之上，其骨干网络仍采用有线方式，在事故发生时常常会因为物理线路故障导致无线网络也随之瘫痪，根本无法体现WIFI通信的优势.然而AdHoc自组织网络模式以其无中心、自组织、多跳路由和动态拓扑等特点从根本上避免了上述问题的发生.

3.3基于自组织网络的无线传感器

无线传感器网络由大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者，整个过程中多个节点密切配合，而每个节点主要由传感器模块、处理器模块、无线收发模块、电源模块构成[9 ,10]，如图1所示，其中，传感器模块的功能是测量被测区域瓦斯浓度、温度等信息并进行A/D转换；微处理器模块用于驱动传感器并处理、储存数据；通信模块负责各节点间进行基于无线自组织网络的数据传递；电源模块提供符合要求的电压和电流.

图1　无线传感器节点构成框图　　　　图2　井上系统硬件组成图

4井上系统说明

4.1硬件组成

SIM300的SIM卡接口支持1.8V和3.3V的SIM卡，在SIM卡的6个管脚中，实际只用到5个，分别是SIM_PRESENT、SIM_VDD、SIM_I/O、SIM_CLK、SIM_RST.监测系统井上硬件部分包括微处理器、存储器、SIM300模块、RS485模块和电源等，如图2所示.

4.2软件设计

井上系统中微处理器通过RS485模块接收来自井下的环境信息，并将数据进行储存、处理，然后微处理器运用串口与SIM300通信将数据通过GPRS无线网络转发到远端指挥中心.指挥中心分析检测所得数据，判断是否处在正常范围，若超出警戒值立刻拨打电话或者发送短信指令，微处理器通过判断SIM300接收的指令控制相应装置运转，并将运转状态以短信的方式回执指挥中心，流程图如图3所示.

图3　流程图

5结束语

WIFI即无线保真技术已经成为当今无线网络接入的主流标准，本文设计的井下监测系统就是基于WIFI无线信号，在井下搭建无线自组织网络平台并依托目前广泛使用的移动通信网络，在很大程度上避免了有线通信的方式，是对现有井下以太环网光纤通信的有力补充，可以防止因物理线路断开而导致的通信瘫痪，有助于进一步降低事故的发生率.

参考文献

[1]王月茹.光纤通信及其在煤炭企业中的应用[J].中国科技博览,2014,30:396-397.

[2]王桃.基于WIFI的煤矿井下生产环境监测与预警系统研究[D].西安:西安建筑科技大学,2013.

[3]杨洪骞.井下无线自组织网络路由算法研究[D].青岛:山东科技大学,2012.

[4]IEEE 802.11a-1999(8802-11:1999/Amd 1:2000(E).Wireless LAN Medium Access Control(MAC) andPhysical Layer (PHY)specifications-Amendment 1:High-speed Physical Layer in the 5 GHz band.

[5]李媛.基于WIFI无线网络的煤矿井下胶轮车交通控制系统[D].山西:太原理工大学,2013.

[6]侯振堂,梁博,张建,张强,郑志辉.WIFI技术与传统矿井无线通信技术对比[J].科技信息,2012(3).

[7]张立学.基于WiFi的车载信息服务器研究与设计[D].国防科学技术大学,2008.

[8]PERKINS C E, ROYER B,DAS S. Ad Hoc On-Demand Distance Vector ( AODV ) Routing[D].RFC3561, 2003(7):4-11.

[9]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社出版社,2005:3.

[10]周桦,张凤登.无线传感器网络硬件平台的选型与搭建[J].微计算机信息,2007(4),163-164.

[责任编辑：闫昕]