基于无线多媒体传感器网络的煤矿数据采集系统设计

巢湖学院机械与电子工程学院 李岩岩 汪 新 任玲芝

基于无线多媒体传感器网络的煤矿数据采集系统设计

巢湖学院机械与电子工程学院 李岩岩 汪 新 任玲芝

本文给出了一个经济的、灵活的关于地下矿山工人安全的解决方案。通过无线通信技术Zigbee，将基于传感器的MEMS模块应用于地下环境的监测与测量中，使整个系统更可靠，更容易控制，更精确。其中，利用单片机收集数据，判断出危险地域，并通过警报以及语音系统通知其中的矿工。通过带有麦克风和扬声器语音系统，转换成数字信号并与地面控制中心进行有效的无线通信。实际运行表明，该系统可替代传统的煤矿监控系统，能有效的避免更多潜在危险事故的发生。

无线多媒体传感器网络；数据采集系统；ZigBee

1.引言

工业安全是行业的主要内容之一， 特别在矿业中，保证矿业安全生产非常重要。为避免不希望发生的灾难事故，所有矿业都会进行一些基本的防范与安全措施。为了避免财产的损失和人身的伤害，保护系统以及可靠的通信系统在地下矿道里是非常必要的。因此，必须在矿井中移动的工人与固定的基站之间建立可靠的通信以提高煤矿安全性和生产力。由于矿井中的特殊环境，有线的通信手段不是非常有效，传统通信系统的可靠性和长寿命在恶劣的开采环境一直是个问题。此外，有线通信网络在矿井中的安装成本和维护成本也非常高，有线通信系统在滑坡或由于其他原因造成损坏之后，在矿井中重新安装的是非常困难的。为了准确检测温度，压力，可燃及有毒气体，及时追踪到地下矿工和矿车，需要改善矿井监控系统，这对保证安全生产和煤矿灾难时的救援具有重大的意义[1]。

论文[2]提出煤矿链路型无线传感器网络，它由三个传感器节点组成：传感节点，群集的头节点以及连接两者的基站，通过这些节点系统就可以定期监测地下矿道的环境以及定位矿工。论文[3]提出基于多传感器信息融合的新决策方法，用于预测煤矿瓦斯爆发。多传感器信息融合方法中应用了两个技术：神经网络和数据融合理论，而改进的模糊集的组合规则被应用于决策融合。但是，这些通信方法中的特定技术都缺乏在地下矿山的实际应用。

为了成功传输无线数据，在这个系统中我们使用 ZigBee标准。ZigBee规范因为其功耗降低开发成本低，被许多制造商结合在他们的设备中。在本文中，基于Zigbee的数据融合技术被使用于无线传输和接收数据。

2.煤矿无线监控系统的实现

2.1系统结构组成

煤矿无线监控系统可以被分为两部分。首先是装配于煤矿工人身体上的硬件电路，它最好配备于工人的安全帽中。这个电路由一些基于传感器技术的MEMS模块组成，可快速测量像环境温度、湿度和甲烷、一氧化碳这类有害气体浓度这样的地下参数。单片机通过传感器采集地下环境参数，一旦超过在单片机中预先编入的安全数值[4]，单片机控制与之连接的扬声器发出报警，系统总体框图如图1所示。同时这些环境参数信息将以紧急通知和警报的形式通过zigbee发送给地面控制终端。单片机数据传输就是通过两个单独的模块即 ZigBee传输模块到数据收集器/接收器模块。

2.2系统硬件设计

系统中使用的单片机是PIC16F877A，工作频率20MHz、5个输入输出端口、8个A/D输入通道和368 bytes 数据存储器。如图1所示，数据接收终端 Zigbee_RX和数据传输终端ZigBee_TX 交叉连接到对应的单片机发射机和接收机终端发出数据和接收数据。

图1　系统总体框图

ZigBee模块中使用的接口板，符合802.15.4标准。该模块低成本，低功耗、可靠的20针设备并带有2.4GHZ工作频带。它可在30-100米的范围内，数据传输率达到250000bps。ZigBee模块有五种运行模式，在没有收到或传输数据时，RF模块运行在空闲模式下，处于其他不同条件时，RF模块将转移到其他操作模式下。在传输模式下接收的串行数据直接存储在数据输入DI缓冲区中，直到它可以被处理的。当DI缓冲区达到17字节即将溢出时，CTS（高位）将重复向主机设备发送信号以阻止的继续输入数据，如图2所示。当CTS不断发出信号时，DI缓冲区还有34字节的内存可用。选择传输较少的数据或选择低波特率为避免这种溢出的状态。在接收模式下，有效的RF数据时通过天线接收的。当接收到RF数据时，输入到数据输出DO 缓冲区并发送到主机设备的串行端口中。一旦DO缓冲区溢出，任何其他传入的RF数据都会丢失。若RTS（硬件流量控制）可控制流量，一旦RTS发出阻止信号数据将不会被发送出到DO缓冲器。当RF模块不使用时，睡眠模式启用，即进入低功率消耗时段，这个时间段ST为预先定义，在这个时间段内既不传输数据也不接收数据。若想修改或读取RF模块的参数，模块必须首先进入命令模式，在这种模式下，输入的字符会被翻译为命令。

图2　ZigBee模块连接

3.系统软件设计

ZigBee网络的主要特征是易实施、低功耗、低成本[5]。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层，IEEE 802.15.4定义了两个种设备：完整功能的设备（FFD）和精减功能设备(RFD)。FFD有协调网络的功能，因此有所有其他设备的访问权限。RFD仅限于一个星形拓扑配置，不能够作为网络协调员工作，所以它没有全部协议服务权限。FFD和RFD设备能在三个不同 ZigBee标准方式下工作，即ZigBee协调员（ZC）、ZigBee 路由器（ZR）或ZigBee终端设备（ZED）。网络层支持三个拓扑：星形，树形和网状如图3中所示。星型拓扑包括协调节点和一个或多个与ZC通信的FFD或RFD。

图3　Zigbee的不同拓扑结构

在树形拓扑中，在ZC和ZR的设备中能增加网络的节点数和网络的范围。在网状拓扑中，FFD可以直接分发信息给其他FFD，进入网络后，每个设备都能接收到ZR或ZC给出的地址。

图4　发射机和接收机之间的范围测试

4.数据管理软件

数据管理软件的开发是为了监测到可靠的远程数据与警报信号，并得到一个有效管理的交互界面。这个软件使用Visual Basic进行编程，这有助于形成图形用户界面。它可以显示条形图、表格和图形中的参数。此外，它也将生成并参数的打印报告。地面控制PC接收到的不同环境参数也以不同的形式显示在计算机屏幕中，参数包括温度，湿度、甲烷和一氧化碳的气体浓度等等。计算机把参数存储在硬盘中，地面工作人员可以选择任何参数录制和回放。当发现收到的数据有超过事先设定的参数限制时，单片机就会控制报警器及时响起，地面控制中心的计算机就会给出警报处的位置图像。地面工作人员根据所收到的警报做出决策，并建立与地下工人语音通信，向他们发出警报，并根据连续监测情况和地下的工人语音通讯中获取的信息，采取相应控制和安全措施。图4是发射机和接收机之间的范围测试结果，图5是ZigBee模块实物图。

图5　带有天线的ZigBee模块用作发射机

5.结论

本文设计监视和安全系统可有效的取代传统的煤矿安全系统，该系统可覆盖地下矿井中更大更深的区域，从而有效控制和避免更多潜在的危险。该系统结合了低功耗、低成本的，高效无线数据传输技术Zigbee，以及基于小型传感器的MEMS模块，传感器和zigbee模块可以安装在煤矿工人的头盔上。工人及地面工作人员之间合理的监测和对话的实现对突发事件采取更迅速，更恰当的行动起到了很大的帮助。在未来，该系统还可以轻松地扩展上ZigBee无线图像传输设备；它将极大的改善地下环境的可测性以及矿工的位置精确性。

[1]Y.P.Zhang, G.X.Zheng,“Radio Propagation at 900 MHz in Underground Coal Mines”, IEEE transactions on antennas and propaga tion,2001,vol.49(5):752-62.

[2]N.Chaamwe,W.Liu,H.Jiang,“Seismic Monitoring in Underground Mines: A case of Mufulira Mine in Zambia Using wireless Sensor Networks for Seismic Monitoring”, Proc. IEEE international Conference on Electronics and Information Engineering, 2010:310-414.

[3]X.Ma,Y.Miao,Z.Zhao,H.Zhang,J.Zhang,“A novel approach to Coal and Gas Outburst Prediction Based on Multi-sensor Information Fusion”, Proc. IEEE international conference on automation and logistics,2008:1613-1813.

[4]于海斌,曾鹏,梁韡.智能无线传感器网络系统[M].科学出版社,2006:1-10.

[5]李慧宗,葛兵,王向前.ZigBee技术在矿井安全监控技术中应用[J].煤矿机械,2011.5:206-207.

巢湖学院校级自然科学研究项目（XLY-201506）；巢湖学院校级质量工程项目（ch15kcjgxm08）；安徽省高等学校省级质量工程项目（2015jyxm322）；巢湖学院校级质量工程项目（ch14yykc04）。

李岩岩（1986－），女，安徽阜阳人，巢湖学院教师，主要从事自动控制技术的研究。