CN101931592A - 一种基于wsn的矿下安全监控系统网关设备 - Google Patents

Abstract

一种基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，包括微处理器单元，存储器单元，WSN射频收发单元，以太网接口单元，RFID射频识别单元，蜂鸣器预警单元，语音通信单元，以及人机接口单元。其中微处理器单元是网关核心，按照一定算法实现数据处理和任务调度控制，WSN射频收发单元完成与无线传感器网络各个节点的数据收发，以太网接口单元提供网关与Internet网络通信的接口，RFID射频识别单元为井下人员考勤和模糊定位提供服务，蜂鸣器预警单元和语音通信单元实现紧急情况下的网关本地报警、网关与远程服务器IP语音通话的服务。本发明的网关设备体积小、重量轻、功能强大，能可靠地实现异构网络的协议转换功能，并提供多种实用性辅助服务，为井下安全生产提供全面保证。

Description

一种基于WSN的矿下安全监控系统网关设备

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术的应用领域，尤其涉及一种用于实现基于无线传感器网络技术的多功能异构网络协议转换网关装置。

背景技术

矿下安全生产的各种信息及时地收集和分析，生产调度指令及时传达到井下每一个工作地点，特别是对井下突发事件的及时预报及抢险救灾，是保证矿下安全的关键所在。但是矿下覆盖范围广，环境复杂，所需安全监控节点众多，使用现有的有线方式不仅布线极其复杂，而且成本较高，相比之下，无线网络在成本、灵活性和实用性上全面超越有线通信系统，是一种切实可行的矿下安全监控解决方案。

在众多的无线网络通信技术领域，无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)以其低功耗、低成本、布网及使用灵活、可靠性高等特点，在矿井安全监控领域展现出了良好的应用前景。但WSN一般不以孤立网络的形式存在，而是需要通过一定的方式与其他外部网络互联，以便众多远程设备方便地对其进行管理、控制与访问。这就要求有一种安全可靠的协议转换装置完成异构网络中不同类型网络设备之间的通信。

参考目前已公开的一些专利信息，可以看到在该领域已存在众多的发明和实用新型。然而，目前所拥有的产品和专利也存在一些不足，具体表现在：(1)现有网关设备大多处理能力较差，存储资源过于有限，无法满足高速数据处理、大容量的本地数据库存储以及多功能服务的要求；(2)现有网关设备大多不提供本地预警系统，这大大增加了安全隐患导致重大事故的危险。(3)现有网关设备大多不具有嵌入式音频通信系统，使得井下人员无法方便地与矿上管理人员随时随地建立语音通信，这给突发事件发生时的紧急协调工作带来不便；(4)现有网关设备大多不具备本地人机接口，对于网关设备众多环境变量的重新设置以及井下人员实时了解环境参数制造了极大障碍；

鉴于目前矿下安全监控系统对无线传感器网络网关设备功能多元化的应用需求，结合无线传感器网络的自身特点，本发明提升了网关设备的性能，增加了众多实用的服务功能，使网关设备更适合矿井下安全监控的需求。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于WSN的矿下安全监控系统网关设备作为异构网络的协议转换装置，克服上述现有同类技术产品的众多不足，不但提供一种无线传感器监测网络与远程安全监控管理中心所在的Internet网络之间互联的理想解决方案，而且实现众多实用性功能，如本地预警、语音通信以及智能人机接口等等。

为实现上述发明的目的，本发明采取的技术解决方案如下：

一种基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，具体包括：

微处理器单元：网关设备的核心部分，用于执行系统的运算处理、任务调度等操作，尤其控制以太网接口单元与Internet网络、WSN射频收发单元与无线传感器网络之间的通信。

存储器单元：包括2M的NOR FLASH、64M的NAND FLASH和64M的SDRAM。其中NOR FLASH用于存储网关系统的备用引导装载程序，可以在系统崩溃时完成系统的正常引导，并能够重新烧写Linux嵌入式操作系统和文件系统；NAND FLASH作为大容量非易失性存储器，用于用于存放Linux系统引导装载程序、操作系统内核镜像、可读写的yaffs文件系统，用户应用程序和数据；SDRAM作为网关系统内存，用于系统启动后加载运行操作系统、用户应用程序和数据，为操作系统与应用程序的高效运行提供支持。

WSN射频收发单元：是网关设备与无线传感器网络的接口单元，采用915MHz的国际ISM免费频段与无线传感器网络汇聚节点进行无线射频通信，并通过通用异步串行接口与微处理器单元直连；用于提供网关设备的空中接口，与无线传感器网络的数据汇聚节点进行数据的无线双向收发，同时通过通用异步串行口与微处理器进行数据交互。

以太网接口单元：是网关设备与Internet的接口单元，通过16位数据总线与微处理器单元连接，并通过网络隔离变压器与RJ45接口相连；用于提供网关设备与Internet网络的通信接口，保证无线传感器网络采集的数据能够上行传输至Internet远程服务器，同时能够接收远程服务器的下行指令数据。

RFID射频识别单元：与微处理器单元通过标准串口连接，采用2.4GHz的国际ISM免费频段进行通信，用于矿下人员的考勤以及模糊定位，通过主动方式检测进入其识别范围的RFID卡，并通过对某个目标的ID自动识别得到对象的个体信息，并获取相关数据。

蜂鸣器预警单元：采用压电式有源蜂鸣器，并与微处理器单元通过通用IO口相连；用于紧急情况下的网关本地报警。通过将网关接收到的无线传感器网络采集数据与相应系统预设报警临界值对比，当某一环境参数值超标时，系统驱动蜂鸣器工作，达到本地预警功能。

语音通信单元：采用专业音频编解码器构建网关的嵌入式音频系统，并与微处理器单元通过I2S音频总线相连；用于网关与网关之间以及网关与远程服务器之间的IP语音通信。语音通信单元能够对MIC接口输入的模拟音频信号进行采样、量化，并将得到的数字音频信号存储于预设缓存中，并将缓存数据打包发送到目的主机；同时语音通信单元能够将网关接收到的数字音频数据进行解包，并通过DA转换恢复得到目的主机端的原始模拟音频信号，由SPK接口输出。

人机接口单元采用TFT-LCD模块，并通过四线电阻式触摸屏接口与微处理器单元相连；用于为本地智能的人机交互操作提供服务，主要实现本地IP地址和远程服务器IP地址的配置，网络通信状况的在线测试，无线传感器网络环境数据的本地实时显示，语音通信的拨号、接听、振铃显示等操作。

其中，微处理器单元采用S3C2440处理器，主频达400MHz，运算能力强大，通过移植嵌入式Linux操作系统可以可靠地完成传感数据接收、转发处理，实时语音通信，智能人机交互等多任务并行操作。

其中，存储器单元中，NAND FLASH通过8位数据总线与微处理器相连，NOR FLASH通过16位数据总线与微处理器相连，SDRAM通过32位数据总线与微处理器相连。

其中，WSN射频收发单元采用CC1110射频芯片，工作于915MHz的国际ISM免费频段。由于CC1110与S3C2440工作电压同为3.3V，WSN射频收发单元与微处理器单元之间通过三线串行接口RX、TX、GND直连。

其中，以太网接口单元采用CS8900作为网络控制芯片，通过16位数据总线与微处理器单元连接，并通过GTS FC-518LS网络隔离变压器与RJ45接口相连接。

其中，RFID射频识别单元采用基于NRF2401的成熟工业级模块，使用2.4GHz的频段进行通信，覆盖范围0-50米，S3C2440的通用异步收发器UART2通过MAX3232芯片实现TTL/CMOS电平到TIA/EIA-232-F电平的转换，为RFID射频识别单元提供标准串口接入。

其中，蜂鸣器预警单元采用压电式有源蜂鸣器HYD-2319，并与微处理器的通用IO口GPB0相连接。

其中，语音通信单元采用UDA1341音频编解码器构建网关设备的嵌入式音频系统，并与微处理器单元通过I2S音频总线相连。

其中，人机接口单元采用TFT-LCD模块，通过四线电阻式触摸屏接口与微处理器相连，利用四线电阻式触摸屏提供人机交互界面。

相比现有同类技术产品，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的网关设备中央处理器采用S3C2440芯片，主频高达400MHz，处理能力十分强大，能够运行嵌入式Linux操作系统，为网关设备的多任务并行操作以及系统资源的有效调度提供稳定可靠的硬件保证；

(2)本发明的网关设备存储资源丰富，64M的NAND FLASH提供了大容量的存储空间，不但可以存放大量用户程序、数据，而且可以保证无线传感器网络数据的长期存储，64M的SDRAM则为网关设备提供了足够的内存空间，使得网关设备的性能不会因多任务的并发执行而受到影响；

(3)本发明的网关设备引入了本地预警功能，能够实时根据无线传感器网络采集的数据判断矿下是否发生紧急情况，如温度、湿度、压力、氧气浓度、可燃气体浓度等环境参数是否超标等等，并以此为依据决定是否由Linux操作系统驱动蜂鸣器工作。通过本地预警功能，矿下人员能够在安全隐患出现的第一时间得到通知，便于人员的及时疏散，这为矿下的安全生产提供了进一步的保障；

(4)本发明的网关设备具有与其他网关设备以及远程服务器语音通话的功能，通过音频编解码器构建的嵌入式音频通信系统，能够保证任意时刻矿下人员方便地与矿上管理人员建立语音通信，这给突发事件发生时被困人员的紧急协调工作带来极大便利，为矿下安全生产提供了又一层保障；

(5)本发明的网关设备具有智能的人机接口，实现了网关设备各种功能的一体化管理，通过人机交互接口，可以方便的配置本地IP地址、远程服务器IP地址，实时显示传感器网络采集的环境参数值，并能够对语音通信进行拨号、接听、挂断等操作，这避免了通常情况下采用大型PC设备通过超级终端对网关设备进行逐个操作所带来的不便；

附图说明

图1为本发明的应用系统网络示意图。

图2为本发明的硬件组成框图。

图3为本发明的存储器单元接口电路原理图。

图4为本发明的WSN射频收发单元以及以太网接口单元接口电路原理图。

图5为本发明的RFID射频识别单元接口电路原理图。

图6为本发明的蜂鸣器预警单元接口电路原理图。

图7为本发明的语音通信单元接口电路原理图。

图8为本发明的人机接口单元接口电路原理图。

图9为本发明的语音通信方法示意图。

图10为本发明的异构网络数据交互方法流程图。

具体实施方式

图1为本发明的应用系统网络示意图，即矿下安全监控系统网络示意图。该系统的目标是将矿井下的众多环境参数(如温度、湿度、压力、氧气浓度、可燃气体浓度等等)以及人员定位信息等相应数据进行实时监测，并周期性向远程服务器传输，保证井上管理人员能够通过访问服务器随时了解井下情况并能够针对紧急事件做出快速有效地调整，并在发生事故时辅助快速制定营救方案，将生命财产损失降到最低。如图1所示，系统总体框架可分为三个部分，分别是矿下无线传感器网络数据采集部分、网关协议转换部分以及远程监控服务器部分。无线传感器网络位于整个系统的最底层，由一组传感器终端节点以自组织方式构成，分布于井下巷道的感知区域，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息。网关是监控系统正常运行的核心一环，是实现异构网络协议转换的关键部分，主要实现两个功能：①对无线传感器网络数据的汇聚、处理和存储；②与Internet远程服务器的数据交互。除此以外，网关还具有其他附加功能，增强了网关的人性化与实用性，比如采用RFID射频模块实现井下人员的模糊定位，网关与其他网关以及网关与远程服务器之间的实时语音通信，本地人机交互等等。远程监控服务器位于整个系统的最上层，提供了强大的数据处理能力和存储能力，通过访问该服务器，管理人员可以实时查询矿井下的环境参数、人员信息，调取系统存储的历史记录，发送指令信息，控制WSN网络节点行为，进行网络管理。

图2为本发明的硬件组成框图，如图2所示，网关设备主要包括微处理器单元，存储器单元，WSN射频收发单元，以太网接口单元，RFID射频识别单元，蜂鸣器预警单元，语音通信单元，以及人机接口单元。其中，微处理器单元是网关设备的核心单元，与其他单元通过不同的接口电路相连，以控制不同单元的协同工作并处理相关数据。微处理器采用S3C2440嵌入式芯片，该处理器基于ARM920T内核，内含高性能32位RISC处理器，主频达400MHz，处理能力强大，通过移植嵌入式Linux操作系统，有效地解决了网关与无线传感器网络的射频收发、与Internet网络的有线双工通信、本地实时预警、与远程服务器实时语音通信等多任务并发执行的调度问题。

图3为本发明的存储器单元接口电路原理图。

如图3(a)所示，NOR FLASH采用Am29LV160D，存储容量为2M，通过16位数据总线与微处理器相连。由于采用16位数据模式，NOR FLASH的地址总线偏移一位与微处理器相连，即NOR FLASH的ADDR(n)引脚与微处理器的SA(n+1)引脚相连，其中n的取值范围是0～19。NOR FLASH作为网关的后备资源，用于存储网关系统的备用引导装载程序。

如图3(b)所示，NAND FLASH采用K9F1208D0A，存储容量为64M，通过8位数据总线与微处理器相连，由微处理器内部的NAND FLASH控制器直接控制。NAND FLASH是网关设备的非易失性存储器，主要用于存放Linux系统引导装载程序、操作系统内核镜像、可读写的yaffs文件系统，用户应用程序与数据等内容。

如图3(c)所示，SDRAM采用HY57V561620，每片HY57V561620的存储容量为32M，规格为4Banks×4M×16Bits，通过两块芯片的数据总线串行连接方式组成64M的SDRAM，并通过32位数据总线与微处理器相连。由于采用32位数据模式，SDRAM的地址总线偏移两位与微处理器相连，其中A0～A12为行地址线，A0～A8同时复用为列地址线，BA0与BA1为Bank选择线。SDRAM是网关设备的内存，为操作系统与应用程序的高效运行提供了支持。

图4为本发明的WSN射频收发单元以及以太网接口单元接口电路原理图。该部分是完成协议转换，保证底层传感数据在异构网络中传输的关键。

WSN射频收发单元采用CC1110射频芯片，工作于915MHz的国际ISM免费频段，直接与无线传感器网络的传输汇聚节点进行通信，负责对底层周期性发送的采集数据进行无线接收，其中传输汇聚节点负责对无线传感器网络各个终端节点采集数据的接收、整理，并按照预定协议所规定的格式打包数据，最后通过无线方式向网关的WSN射频收发单元转发数据。WSN射频收发单元与微处理器单元之间采用串行接口方式连接，微处理器单元在接收到WSN射频收发单元的传感数据后对数据进行解析、处理，并将结果存入缓存，发送给以太网接口单元。

以太网接口单元采用以太网控制器CS8900，其内部集成了4k字节的片上存储器，10Base-T的收发滤波器，并且提供8位和16位两种数据接口。本发明中，以太网接口单元与微处理器单元通过20位的地址总线和16位的数据总线相连，与Internet则通过GTS FC-518LS网络隔离变压器以及RJ45接口相连。以太网接口单元主要对经过微处理器单元融合的底层传感数据以标准IP数据包格式直接发送到Internet远程服务器，同时也将接收到的Internet服务器指令经过解包后通过数据总线送达微处理器单元执行，除此以外，以太网接口单元也给网关的其他功能如IP语音通信等提供了硬件支持。

图5为本发明的RFID射频识别单元接口电路原理图。RFID射频识别单元采用基于NRF2401的成熟工业级模块，使用2.4GHz的频段进行通信，覆盖范围0-50米。为便于应用扩展，RFID射频识别单元与微处理器单元采用串口作为标准接口。微处理器单元的通用异步收发器UART2通过MAX3232芯片实现TTL/CMOS电平到TIA/EIA-232-F电平的转换，从而为RFID射频识别单元提供标准串口接入。

图6为本发明的蜂鸣器预警单元接口电路原理图。蜂鸣器预警单元采用压电式有源蜂鸣器HYD-2319，并与微处理器单元的通用IO口GPB0相连接。网关接收到底层传感数据后，通过与系统中预设各种报警临界值进行对比，判断各环境参数是否超标，如温度、湿度、压力、氧气浓度、可燃气体浓度等，若存在安全隐患，系统会通过将GPB0引脚置高驱动蜂鸣器工作，警示本地矿下工作人员及时疏散。

图7为本发明的语音通信单元接口电路原理图。语音通信单元采用UDA1341音频编解码器，与微处理器单元通过I2S音频总线相连。其中BCK为串行时钟，对应数字音频的每一位数据；WS为帧时钟，用于切换左右声道的数据；SDATAO与SDATAI为串行数据，是用二进制补码表示的音频数据，这三种信号是语音通信单元与微处理器单元接口电路的核心。语音通信单元具有MIC和SPK接口，其能够对MIC接口输入的模拟音频信号进行采样、量化，并将得到的数字音频信号存储于预设缓存中，并将缓存数据打包发送到目的主机；同时能够将网关接收到的数字音频数据进行解包，经DA转换恢复得到目的主机端的原始模拟音频信号，由SPK接口输出。

图8为本发明的人机接口单元接口电路原理图。人机接口单元采用3.5英寸TFT-LCD模块，通过四线电阻式触摸屏接口与微处理器相连。如图8所示，TSXM、TSXP、TSYM和TSYP为四线电阻式触摸屏接口，主要用于确定触摸点坐标。此外为方便其他类型触摸屏的扩展应用，接口电路还提供了3.3V和5V电源选择功能，可根据触摸屏电源电压正确选择跳线连接方式。人机接口单元在网关系统中扮演着十分重要的角色，可实现本地IP地址的配置，远程服务器IP地址的设置，网络通信状况的在线测试，无线传感器网络环境数据的本地实时显示，语音通信的拨号、接听、振铃显示等等，这大大降低了大型PC设备通过超级终端设置网关所带来的不便，同时也给矿下人员随时了解环境状况提供了支持。

图9为本发明的语音通信方法示意图。语音通信功能在网关系统中作为独立进程存在，与异构网络数据交互并发执行。程序启动后，创建监听线程监听网络信令，并可根据来电请求信令执行应答请求、拒接来电等操作；同时，程序也可随时发送会话请求信令，请求目的终端进行通信。一旦网关与目的终端建立起UDP通信链路，则可接收远程发送的语音数据包，并解析存入缓存，将缓存信息写入DSP音频设备文件，则可从SPK接口输出语音信息，达到接听目的；同时，本地人员的语音信息也会通过MIC接口存入DSP音频设备文件，通过读取该文件可获得音频数据信息，打包后通过UDP协议可发送语音信息到目的终端。除此以外，程序还可通过查询本地语音通话数据库，获取历史来电记录和去电记录。

图10为本发明的异构网络数据交互方法流程图。如图10所示，程序启动后依次执行以下几个步骤：(1)设置串口，用于微处理器单元与WSN射频收发单元以及RFID射频识别单元进行通信，主要包括串口波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、串口最大读取时间、串口最大读取长度的设置；(2)初始化网络，用于微处理器单元与以太网接口单元进行通信，主要包括设定网络通信端口，设置远程服务器IP地址等操作；(3)连接服务，通过发送连接请求与远程服务器建立UDP连接；(4)通过Fork函数创建子进程，子进程是对父进程的复制，二者并行工作；(5)父进程监听串口，实时接收无线传感器网络发送的底层数据，并进行有效性校验，对有效数据计算、分类、比较后打包发送至远程服务器，在此过程一旦发现环境参数值超标，立即进行本地报警；(6)子进程监听网络端口，与远程服务器进行实时通信，接收到远程发送的指令信息后，进行指令解析，并执行相应操作，实现管理人员对网关的远程控制。

Claims (8)

1.一种基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，其特征在于，包括微处理器单元，存储器单元，WSN射频收发单元，以太网接口单元，RFID射频识别单元，蜂鸣器预警单元，语音通信单元，以及人机接口单元；

所述存储器单元包括64M的NAND FLASH，2M的NOR FLASH和64M的同步动态随机存储器SDRAM，并通过数据总线与微处理器单元相连接；

所述WSN射频收发单元是网关设备与无线传感器网络的接口单元，采用915MHz的国际ISM免费频段与无线传感器网络汇聚节点进行无线射频通信，并通过通用异步串行接口与微处理器单元直连；

所述以太网接口单元是网关设备与Internet的接口单元，通过16位数据总线与微处理器单元连接，并通过网络隔离变压器与RJ45接口相连；用于提供网关设备与Internet网络的通信接口，保证无线传感器网络采集的数据能够上行传输至Internet远程服务器，同时能够接收远程服务器的下行指令数据；

所述RFID射频识别单元与微处理器单元通过标准串口连接，采用2.4GHz的国际ISM免费频段进行通信；

所述蜂鸣器预警单元采用压电式有源蜂鸣器，并与微处理器单元通过通用IO口相连；

所述语音通信单元采用专业音频编解码器构建网关的嵌入式音频系统，并与微处理器单元通过I2S音频总线相连；

所述人机接口单元采用TFT-LCD模块，并通过四线电阻式触摸屏接口与微处理器单元相连。

2.根据权利要求1所述的基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，其特征在于，所述存储器单元中的NAND FLASH通过8位数据总线与微处理器单元相连，做为大容量非易失性存储器，用于存放Linux系统引导装载程序、操作系统内核镜像、可读写的yaffs文件系统，用户应用程序和数据；所述NOR FLASH通过16位数据总线与微处理器单元相连，用于存储网关系统的备用引导装载程序；所述SDRAM通过32位数据总线与微处理器单元相连，用于系统启动后加载运行操作系统、用户应用程序和数据，为操作系统与应用程序的高效运行提供支持。

3.根据权利要求1所述的基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，其特征在于，WSN射频收发单元提供网关设备的空中接口，与无线传感器网络的数据汇聚节点进行数据的无线双向收发，同时通过通用异步串行口与微处理器进行数据交互。

4.根据权利要求1所述的基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，其特征在于，无线传感器网络采集的数据能够通过以太网接口单元上行传输至Internet远程服务器，同时能够接收远程服务器的下行指令数据。

5.根据权利要求1所述的基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，其特征在于，RFID射频识别单元用于对矿下人员的考勤以及模糊定位，通过主动方式检测进入其识别范围的RFID卡。

6.根据权利要求1所述的基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，其特征在于，蜂鸣器预警单元用于在紧急情况下发出网关本地报警信号。

7.根据权利要求1所述的基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，其特征在于，语音通信单元用于网关与网关之间以及网关与远程服务器之间的IP语音通信。

8.根据权利要求1所述的基于WSN的矿下安全监控系统网关设备，其特征在于，人机接口单元通过四线电阻式触摸屏接口与微处理器相连，利用四线电阻式触摸屏提供人机交互界面。

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