CN101446205A - 无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统 - Google Patents

Abstract

无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，属于煤矿安全监测技术。由地面监控中心和无线传感网络组成，地面监控中心包括监控中心客户端、监控中心服务器、普通客户端，监控中心服务器分别与监控中心客户和普通客户端相联；无线传感网络包括传感器网络节点、网络簇首、无线收发器；传感器网络节点由处理器模块、无线通信模块、数据采集模块、能量供应模块和智能开关组成，无线通信模块、数据采集模块和智能开关分别同处理器模块相连接；智能开关连接在数据采集模块回路中以控制其电源通断；网络簇首接收传感器网络节点发送的数据，并与无线收发器通信。本发明传递信息具实时性和有效性，可为监控瓦斯、减少事故起作用，为从根本上解决煤矿安全做出贡献。

Description

无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统

(一)技术领域

本发明涉及一种基于ZigBee技术的无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，属于煤矿安全监测技术领域。

(二)背景技术

煤矿行业也被称为高危险的行业，目前煤矿井下的瓦斯爆炸是我国井下事故重要的原因之一。现有的传统瓦斯探测技术存在许多局限，如系统存在无法知道井下多个位置瓦斯浓度、实时性不高及不能远程监控等问题。在传统的煤矿瓦斯监测系统中，由于监测系统的设施、装置等位置比较固定，因而使瓦斯探头不能随着采掘的进度跟进到位，从而使得监测系统往往形同虚设，而且井下联网有一定的难度，有关人员无法进行有效的监管，以致事故无法预警。

现有的一项专利技术“煤矿员工实名管理和安全监测系统”(申请号：200710017961.3)采用的是数据传输采用电力线载波，由于井下作业环境复杂，铺设电力线难度较大，易损坏，且电线网络造成的放电也存在安全隐患。

基于ZigBee的无线传感器网络技术具有结构简单，体积小，功耗低，成本低的特点，开发设计一种基于ZigBee的无线传感器网络可以灵活的在煤矿井下布置传感器网络节点，直接或间接通过汇节点集中传送矿井内各个位置的瓦斯浓度信息，再由网络协调器经数据传输网络上传到地面监控中心。本系统设计的无线传感器网络工作在2.4GHz全球通用的ISM免付费频段上，划分为16个信道，在该频段上，数据传输速率为250Kbps。

ZigBee技术是以IEEE 802.15.4(IEEE802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议)。网络协议作为其物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)规范，ZigBee联盟提供了网络层(NWK)和应用层(APL)框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制定的应用对象。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗成本的技术：1、低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长时间。这就是ZigBee的突出优势。2、低成本。通过大幅简化协议，降低了对通道通信控制的要求。3、短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需要15ms，节点连接入网只需30ms。4、高容量。ZigBee可采用星型、片状、网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多1个主节点可管理255个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65536个节点的网络。

PIC18F4620微控制器具有丰富的片上存储功能，具有64KB Flash和3968字节RAM的存储空间；而且该微控制器具有多种省电模式供选择，除了具有丰富的片上存储功能和多种省电模式以外，PIC18F4620微控制器还具有13个10位A/D转换器，、多个I/O数据线。可以很容易用软件对其进行编程和仿真，这些接口同时还可以用作与传感单元的接口。RF通信模块是Chipcon CC2420无线射频芯片，该芯片收发器包含了物理层(PHY)及媒体访问控制器(MAC)层，可组建一个具备65535个结点的无线网络，并可随时扩充，以及具有低功耗、传输速率为250kb/s、较低的快速唤醒时间(小于30ms)、CSMA/CA信道状态侦测等特性。

在无线传感器网络中节点为采用了ZigBee技术的PIC单片机实现了低功耗的稳定通信，能够达到长期监测的目的。

以上协议栈和硬件资源都为建立实用的基于ZigBee技术的无线传感器网络煤矿瓦斯检测系统奠定了技术基础。

(三)发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统。

一种无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，由地面监控中心和无线传感网络组成，其特征在于地面监控中心包括监控中心客户端、监控中心服务器、普通客户端，监控中心客户端通过串口和监控中心服务器相连接；监控中心服务器通过互联网与普通客户端相联；无线传感网络包括传感器网络节点、网络簇首、无线收发器，传感器网络节点通过Zigbee协议与网络簇首通信；网络簇首通过IEEE802.15.4与无线收发器通信；无线收发器通过串口线与监控中心客户端相连接并建立通信；传感器网络节点由处理器模块、无线通信模块、数据采集模块、能量供应模块和智能开关组成，无线通信模块、数据采集模块和智能开关分别通过数据线同处理器模块相连接；智能开关连接在数据采集模块回路中，通过处理器模块发指令以控制数据采集模块电源的通断；网络簇首接收传感器网络节点发送的数据，并与无线收发器通信。

所述的数据采集模块中使用的传感器是瓦斯传感器和粉尘传感器。

上述IEEE 802.15.4是指低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。

本发明结构示意图如图1所示，传感器网络节点6负责采集瓦斯浓度和粉尘浓度；网络簇首5收集6的信息，并把Zigbee协议转换为IEEE802.15.4协议；网络簇首5通过无线收发器6与监控中心通信；监控中心服务器2建立数据库，对煤矿的瓦斯浓度及粉尘浓度等数据进行管理；普通客户端1通过互联网对数据库的信息进行访问，实现远程监控。从网络功能上看，每个传感器网络节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任。

网络簇首与检测节点通过握手信号建立转发转发簇，网络簇首给检测节点分配TDMA时隙，检测节点在各自时隙内发送数据给网络簇首，其他时刻处于休眠状态。网络簇首将数据发送给无线收发器，无线收发器通过上位机串口发送个服务器，监控中心客户端可以通过访问服务器来监测矿井内的状况。

本发明传感器网络节点的方框示意图如图2所示，数据采集模块9负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块7负责控制整个传感器网络节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块11负责与其他传感器网络节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块8为传感器网络节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池；智能开关10为通过处理器进行控制，为传感器网络节点提高稳定的开关电源。

无线通信模块的特点，关键是节省了节点的成本，只需通过模数转换器接入LXK-3瓦斯传感器、PPD4NS粉尘传感器等数据采集模块，再通过I/O引脚加上微型电池，就基本上完成了一个基于ZigBee的无线传感器网络节点模块的设计。对于整个无线传感器网络监测系统而言，它节约的成本是相当可观的。数据采集模块9通过智能开关10对其能耗进行控制，节约了电源模块的一大块能量开销，提高了网络的稳定性和可靠性。

在巷道中每隔几十米放置1个传感器网络节点，每个矿工也都佩带1个传感器网络节点，矿工身上佩带的节点和巷道中放置的节点可以自组织成一个大规模的无线传感器网络，在矿井的入口处放置一个具有无线转发器作为中继点，它可以是一个具有增强功能的传感器网络节点，有足够的能量供给更多的内存与计算资源。此设计思想是要让瓦斯监测系统能够随着采掘的进度跟进到位，能够把井下信息实时、准确地传送到相关人员。

一种上述瓦斯监测系统的工作方法，步骤如下：

1、初始化；

2、连接远程服务器；

3、监测空气中的无线数据；

4、判断是否接收到数据；

5、是，连接远程服务器；否则转入步骤3；

6、判断是否连接成功；

7、是提交数据到服务器；

8、查看数据。

一种利用上述系统在传感器网络节点和网络簇首之间进行通信的方法，步骤如下：

初始化；

1、开始；

2、节点是否是网络簇首；

3、是，转入下一步骤2；否则转入步骤8；

4、等待节电加入；

5、创建TDMA时隙；

6、接收数据；

7、发送数据给上位机；

8、等待网络簇首通知；

9、加入网络簇首所在网络；

10、等待网络簇首调度；

11、发送数据；

12、休眠。

在上述方法的运行过程中，各层通信协议都要以节点为中心。以传感器网络节点和网络簇首之间的通信为例来介绍ZigBee模块之间的通信流程。ZigBee模块在进行通信前，要进行有效的初始化，在初始化过程中，网络簇首发出主动请求连接传感器网络节点的信令，在传感器网络节点成功接收和验证一个数据帧和MAC命令帧后，向网络簇首返回确认帧，传感器网络节点的无线通信模块处于休眠状态。初始化结束后，ZigBee传感器网络节点和网络簇首之间的通信流程见图4所示，网络簇首处于从工作模式，等待传感器网络节点的响应连接请求信令，而当定时时间到，传感器网络节点主动请求连接网络簇首，并向网络簇首上报检测到的矿井内的瓦斯浓度信息，网络簇首对数据进行融合。

用基于ZigBee的无线传感器网络来监测煤矿瓦斯环境明显的优势：(1)传感器网络节点数量大，分布密度高，并具有一定的数据融合能力，因此可以节约整个网络的能量，还可以获得更准确的信息。(2)增加或者删除1个节点，或者节点位置发生变动，节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。(3)无线传感器网络节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监测。即使矿井结构遭到破坏，仍能自动恢复组网，传递信息，保证矿井瓦斯监测系统传递信息的实时性和有效性。从而可以为监控瓦斯、减少事故起到一定的作用，为最终从根本上解决煤矿安全问题做出贡献。随着研究的进一步深入，相信这种设计方案会被逐步地实现，并被应用到实践中去。

四)附图说明

图1是本发明监测系统的结构示意图，图2是本发明传感器网络节点的方框示意图。其中：1、监控中心客户端，2、监控中心服务器，3、普通客户端，4、无线收发器，5、网络簇首，6、传感器网络节点，7、处理器模块，8、能量供应模块，9、数据采集模块，10、智能开关，11、无线通信模块。

图3是本发明系统的工作方法流程图，图4是传感器网络节点和网络簇首之间进行通信的流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：(系统实施例)

本发明的实施例如图1-2所示，由地面监控中心和无线传感网络组成，其特征在于地面监控中心包括监控中心客户端1、监控中心服务器2，普通客户端3，监控中心客户端1通过串口和监控中心服务器2相连接，监控中心服务器2通过互联网与普通客户端3相联；无线传感网络包括传感器网络节点6、网络簇首5、无线收发器4，传感器网络节点6通过Zigbee协议与网络簇首5通信，网络簇首5通过IEEE802.15.4与无线收发器4通信，无线收发器4通过串口线与监控中心客户端1相连接并建立通信；传感器网络节点6由处理器模块7、无线通信模块11、数据采集模块9、能量供应模块8和智能开关10组成，无线通信模块11、数据采集模块9和智能开关10分别通过数据线同处理器模块7相连接；智能开关10连接在数据采集模块9回路中，通过处理器模块7发指令以控制数据采集模块9电源的通断；网络簇首5接收传感器网络节点6发送的数据，并与无线收发器4通信。其中数据采集模块9中使用的LXK3瓦斯传感器和PPD4NS粉尘传感器。

传感器网络节点的主体结构为处理器模块7和无线通信模块11。在本发明的实施例中，节点设备的设计采用符合ZigBee技术的2.4GHz射频芯片CC2430，CC2430芯片延用了以往.CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个38位MCU处理器，具有128kB可编程闪存和8k的RAM存储器，还包含模拟数字转换器、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性的开发工具等。

实施例2：(方法实施例)

一种上述瓦斯监测系统的工作方法，如图3所示，步骤如下：

1、初始化；

2、连接远程服务器；

3、监测空气中的无线数据；

4、判断是否接收到数据；

5、是，连接远程服务器；否则转入步骤3；

6、判断是否连接成功；

7、是提交数据到服务器；

8、查看数据。

一种利用上述系统在传感器网络节点和网络簇首之间进行通信的方法，如图4所示，步骤如下：

初始化；

1、开始；

2、节点是否是网络簇首；

3、是，转入下一步骤2；否则转入步骤8；

4、等待节电加入；

5、创建TDMA时隙；

6、接收数据；

7、发送数据给上位机；

8、等待网络簇首通知；

9、加入网络簇首所在网络；

10、等待网络簇首调度；

11、发送数据；

12、休眠。

Claims (4)

1、一种无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，由地面监控中心和无线传感网络组成，其特征在于地面监控中心包括监控中心客户端、监控中心服务器、普通客户端，监控中心客户端通过串口和监控中心服务器相连接；监控中心服务器通过互联网与普通客户端相联；无线传感网络包括传感器网络节点、网络簇首、无线收发器，传感器网络节点通过Zigbee协议与网络簇首通信；网络簇首通过IEEE802.15.4与无线收发器通信；无线收发器通过串口线与监控中心客户端相连接并建立通信；传感器网络节点由处理器模块、无线通信模块、数据采集模块、能量供应模块和智能开关组成，无线通信模块、数据采集模块和智能开关分别通过数据线同处理器模块相连接；智能开关连接在数据采集模块回路中，通过处理器模块发指令以控制数据采集模块电源的通断；网络簇首接收传感器网络节点发送的数据，并与无线收发器通信。

2、如权利要求1所述的一种无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统，其特征在于所述的数据采集模块中使用的传感器是瓦斯传感器和粉尘传感器。

3、一种如权利要求1所述的瓦斯监测系统的工作方法，步骤如下：

1.初始化；

2.连接远程服务器；

3.监测空气中的无线数据；

4.判断是否接收到数据；

5.是，连接远程服务器；否则转入步骤3；

6.判断是否连接成功；

7.是提交数据到服务器；

8.查看数据。

4、一种利用如权利要求1所述的瓦斯监测系统在传感器网络节点和网络簇首之间进行通信的方法，步骤如下：

初始化；

1、开始；

2、节点是否是网络簇首；

3、是，转入下一步骤2；否则转入步骤8；

4、等待节电加入；

5、创建TDMA时隙；

6、接收数据；

7、发送数据给上位机；

8、等待网络簇首通知；

9、加入网络簇首所在网络；

10、等待网络簇首调度；

11、发送数据；

12、休眠。

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