基于无线传感器网络的煤矿监测系统设计

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1、第l8卷煤矿开采V01．182013年第5期C0a1miningTechnology2013N0J5基于无线传感器网络的煤矿监测系统设计张玉英，马睿，宋丽辉(北京化工大学北方学院，河北三河065201)[摘要]煤矿安全已经成为社会非常重视和关注的问题。针对当前基于有线网络和固定传感器技术的监测系统存在监测盲区的问题，设计了一套基于Zigbee技术的无线传感器网络煤矿监测系统方案。分析了煤矿监测系统的结构，对系统的无线传感器网络部分进行了详细设计，包括硬件设计和软件设计。系统对预防煤炭安全事故有着重要

2、的意义。[关键词】煤矿安全；监测系统；无线传感器网络；Zigbee协议；节点引言与地面监控计算机相连。其中协调器、终端节点、路由节点构成基~zigbee的无线传感器网络，三种节点我国煤矿开采方式只要是以矿工开采为主，多相互配合，共同完成对瓦斯浓度、温湿度数据的采数矿井都有瓦斯、煤尘、火灾等隐患。我国煤矿生产集、传输和对网络的管理。系统的总体结构如图l所形势一直十分严峻，煤矿频繁发生事故，给国家和人示。民都造成了巨大的损失。安全问题一直困扰着我国煤矿生产，是制约我国煤矿行业发展的主要障碍。但是目前我国

3、使用的安全监测系统主要还是以现场总线为主，通过有线方式进行信息数据的采集和传输，这在矿井特殊环境下存在许多的弊端。如井下监测点数量有限，存在监控盲区；随着挖掘的深入，传感器无法实现快速跟进；一旦网络发生故障，系统就会瘫痪等。无线传感器网络的网络自组织、结构灵活、以数据为中心的特点很适合矿井环境安全监测的应用，无线通信技术ZigBee的低功耗、低成本、覆盖范围大、高可靠性等都符合系统的要求，很好的解决了上述的弊端。本文设计的煤矿安全监控系统，是通过无U线传感器网络实现对煤矿监控区域瓦斯浓度和温湿图1系

4、统结构度等信号的采集测量，同时将所采集的信息在地面系统井下部分为路由节点和终端节点构成的ZigBee控制中心PC机上实时地显示出来，对煤矿井下环网络。终端节点上使用瓦斯传感器、温湿度传感器等境数据进行全方位实时监测和智能预警，对煤矿的对井下环境数据进行采集，并通过路由节点的转发安全生产具有重大的意义。送给井上协调器节点。协调器节点与监控计算机通1总体结构过串行接口将数据传给监控计算机。监控计算机收集数据信息，对数据进行实时监测，并能够通过以太整个系统分为井上及井下两大部分，由协调器、网或Intern

5、et~j：数据传送给监控中心。终端节点、路由节点、监控计算机和监控中心管理系2节点硬件设计统组成。在主巷道的入口处架设协调器，在煤矿井下主巷道和采掘工作面中每隔几十米布设一个路由节协调器节点、路由节点和终端节点采用相同的点，矿井工作人员佩戴移动的终端节点，每个采掘区硬件设计。考虑到系统具有低功耗和可靠性高等要形成一个无线传感器网络，它通过协调器采用总线求，PIC18F4620单片机具有低功耗、性能稳定的特[基金项目]河北省科技计划项目(12210315)[作者简介]张玉英(1969一)，女，辽宁辽中

6、人，讲师，主要从事软件开发、无线传感器网络领域研究和教学工作。203第18卷煤矿开采V0L182013年第5期CoalminingTechnology2Ol3No．5点；CC2420射频芯片只需简单外围电路设计，且支给协调器节点；路由器节点的应用层程序主要功能持ZigBee协议。传感器节点采用PIC18F4620单片机是网络路由的维护、节点的管理和数据的传输等；协和CC2420射频芯片。节点的硬件结构如图2所示。调器节点的任务是创建整个网络，并将从传感器节点传输来的数据通过串口传输给监控计算机，同时

7、将控制命令发送给网络中的节点。传感器终端节点、路由器节点和协调器节点均有各自的应用层程序文件：RFD．C、Router．C、Coordinator．c，这三个文件分别是终端节点、路由器节点和协调器节点的应用程序，分别实现了各自的功能。终端节点、路由器节点和协调器节点三种节点图2节点硬件结构的应用程序都是通过调用原语，通过改变原语的状态使ZigBee协议栈的各子层实现相应的操作来实现节点硬件平台以PIC18F4620单片机和CC2420的。在程序的初始阶段都要先对看门狗、硬件、协议射频芯片为核心，在单

8、片机上扩展出SPI接口与栈及其它部分进行初始化操作。节点初始化后，协调CC2420进行连接，它们之间采用主从模式进行通器节点建立并维护网络，路由器节点和终端节点在信，同时还在外围扩展了RS232和RS485接口电路。建好网络后加入网络，负责各自在网络中的任务。针对影响矿井安全环境的因素，系统采用瓦斯传感4．1协调器节点程序设计器和温湿度传感器对矿井环境相关数据信息进行采协调器节点作为网络的中心节点，是无线传感集，传感器采集的数据经过信号放大、A／D转换等处器网络和监控