无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中应用

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1、无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中应用　　摘要：针对近些年煤矿瓦斯监测不够精确等问题，本文结合无线传感器网络技术，提出了基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统的设计方法。根据该设计思想将系统分为信息采集、传送、监控和路由设计等几部分。针对现场实际的需求，提出固定节点和移动节点的实现方法并对两类传感器结点进行了软硬件设计。结点硬件部分主要包括：控制模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块。软件部分主要包括数据采集采集模块与处理模块和数据传输模块，并给出了各模块的流程图。关键词：甲烷监测无线传感器网络节点中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1

2、007-9416（2013）01-0076-021引言我国煤炭资源丰富，但是煤炭开采却面临诸多困难，近年全国各地煤炭瓦斯事故不断发生，如何准确有效的监测瓦斯浓度成为煤炭安全生产的主要问题。本文主要对当前瓦斯气体监测有线方式布线难，检测效率不高、无人值守、检测设备携带不方便等问题，提出了设计基于无线传感器网络煤矿瓦斯气体监测系统。62传感器结点硬件电路的设计传感器结点电路的设计主要包括两类结点的设计，分别是移动结点和固定结点。移动传感器结点负责现场的信息感知，并将现场的信息通过自组网的方式传送到所在簇的簇头。移动结点是根据通信空间的关系或者地理位置

3、的不同分成若干个簇，每个簇以固定结点为簇头，簇头作为路由将信息实时的传送到地面监控中心的网关服务器部分，然后网关服务器将再将接收到的信息传送给瓦斯监控平台，经过处理后实时显示监测区域的瓦斯浓度。图2为节点关系图。2.1移动节点与固定节点硬件组成结构移动节点结构主要由四部分组成：传感器模块、无线通信模块、控制器模块和电源模块。图3为传感器移动节点模块结构图。考虑系统的性能要求及性价比我们选择加密性强、运行速度快、抗干扰能力超强（高抗静电ESD保护、EFI测试轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰、宽电压，不怕电源抖动、款温度范围、芯片电源经过特殊处理）、

4、超低功耗的STC12C5A60S2单片机芯片，无线通讯模块我们这里采用射频芯片nRF905，该芯片广泛应用的射频收发通讯中。6对于固定结点是传感器结点汇聚信息的纽带，在设计中使用了和移动节点一样的硬件结构，唯一不同的是固定结点中的汇聚结点增加了RS-485接口通信，便于与地面进行有线通信。3瓦斯数据采集软件的设计瓦斯传感器结点需要实时采集监测区域瓦斯的浓度，然后将采集的数据信息进行相应的处理后，使其构成无线传感器网络，并将数据信息传输到监控和管理系统。在井下监控区域内需要建立合适的无线传感器网络系统，按照功能可分为瓦斯数据采集和瓦斯数据传输两个模

5、块。瓦斯数据采集模块中又包含了瓦斯数据采集和处理。瓦斯数据采集模块流程图如图5-6所示。瓦斯信息采集后还需要瓦斯处理，瓦斯数据处理流程图如下。4瓦斯数据传输模块软件的设计瓦斯数据传输模块主要负责通过控制模块处理后进行数据通信。通信设备有两部分组成，一部分是发射器，一部分是接收器。图7为传输模块流程图。5网络的建立与新结点入网在自组织的无线传感器网络中，网络的性能主要依赖于拓扑控制。如何有效的满足网络覆盖和连通度，去除结点不需要的通信链路，是传感器网络拓扑控制的主要目的，这样可以形成一个数据转发的优化的网络结构，最终延长网络的生存周期。一个好的拓扑

6、结构可以增加路由协议和MAC协议的传输效率。本设计是运用层次型无线6传感器网络的拓扑控制，依据分簇的方法形成一个处理并转发数据的网络。在网络的形成阶段，首先需要协调器建立一个网络，然后固定结点和移动结点分别加入到网络中，对于无线传感器网络，有许多的信道可以供使用，为了减少网络的建立时间可设计监测系统在一个固定的信道上，如果在一个监测区内需要多个无线传感器网络，则可以将它们固定在不同的信道上，这样可以减少网络间的相互干扰。建网过程开始后，固定结点首先要对能量进行扫描，通过扫描协调器可以获得所规定信道内无线信号的哪些能量高哪些能量低，以便查得能量峰值

7、，如果预期设定的可接受标准低于能量峰值，协调器会继续进行能量扫描，一直到该信道上能量峰值满足要求为止，如果能力扫描结果可以接受，固定结点为即将建立的网络选择一个网络ID作为它的唯一标识。6网络建立起后，便可以接受未入网的新结点加入到网络，新结点首先会在提前设定好的一个信道撒花姑娘进行一个固定时间的主动扫描。在扫描国产中，新结点将向网络中的所有结点广播信标请求信息，协调器和已入网的结点收到这个信息后会向该结点发送自己的信标帧，因此在网络连通状况良好的情况下，新结点将会收到很多个信标信息。扫描结束后，新结点将会选择与信标中标识允许连接的网络结点进行连

8、接，如果多个网络结点允许连接，那么新结点会按照所收到信标帧的顺序来选择靠前的结点连接。如果主动扫描结束后，新结点没有收到任何一个信标帧，