CN103648186A - 一种基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术、传感器、嵌入式技术，尤其涉及一种基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法。无线通信技术如今也在迅速发展，满足了人们日常生活中的各种通信需求，无线通信技术使得信号的传输非常方便、快速。本发明将传感器技术、无线通信技术和嵌入式技术结合，提出了一种基于无线传感网络的煤尘浓度监测方法。该方法应用ZigBee技术，以网关节点为整个系统的控制核心，具备对井下煤尘浓度的实时监测能力，并且具有低复杂度、高可靠性、数据传输方便快速等特点。

Description

一种基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术、传感器、嵌入式技术，尤其涉及一种基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法。

背景技术

我国煤矿与世界各主要产煤国家比较，不仅地质构造比较复杂，而且自然灾害也较为严重。煤矿下自然环境复杂，存在多种安全隐患。特别是中小型乡镇煤矿和私人煤矿，由于安全生产设备落后、安全生产意识不够，安全生产状况令人担忧。现有的煤尘监测系统大都基于有线网络且设备昂贵，不利于网络规模的扩大，随着煤炭开采的推进，很难及时将监控网络铺设到开采面，不能及时监测这些危险区域的情况。因此，研究基于无线传感网络、维护简单的煤矿井下煤尘浓度监测系统有着重要的现实意义。

传感器是一种可以获取特定信息并对获取到的信息进行处理的特殊装置，如人类的某些器官就是一套典型的传感器系统，人类通过眼、耳、皮肤等可以感知外界的光、声、温度等信息。在当今信息时代,人们对各种控制系统自动化程度以及环境适应性的要求越来越高，需要获取的信息量也越来越多，这不仅对传感器的测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求,而且需要远距离传输。显然，传统的传感器已经不能满足这些要求，在这种情况下，具有感知、计算和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术等多个领域的关键技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，因此可以被广泛地应用于环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业等领域。传感器网络是信息感知和采集的一场革命，作为一个全新的研究领域在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。传感器技术和无线通信技术结合而成的无线传感器网络使得其应用更加方便、高效，并具有功耗较低、性价比高、可自由组网等特点。无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的一种无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器的组成模块通常封装在一个外壳内，在工作时它将由电池等供电装置提供电源输入，由随机分布的集成有传感器模块、中央微处理器模块和无线通信收发模块的微型节点，通过自组织的方式构成无线传感网络。它可以采集相应设备的数字信号，之后通过无线传感器网络传送到监测中心的无线网关，直接送入计算机，从而对信号进行分析和处理。监控中心也可以通过网关把参数设置等信息无线传输给节点。数据采集处理模块把传感器输出的信号经过放大、滤波等处理后，送到模数转换器，之后模数转换器将信号转变为数字信号，然后将数字信号送到主处理器进行数字信号处理，计算出传感器的有效值、位移值等。无线传感器网络的节点主要包括传感器模块、中央微处理器模块和无线收发模块，无线传感网络节点的原理图如图1所示。

ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，是当今的热点技术之一。ZigBee技术的产生和发展为传感器的信号无线传输提供了一种新的解决方案。ZigBee协议是一种低速短距离传输的无线网络协议，从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。ZigBee网络的主要特点是低成本、低复杂度、支持大量节点、支持多种网络拓扑结构，并且整个网络间通信快速、可靠、安全。ZigBee网络中的主要设备可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)三种角色。在无线传感网络中，协调器的主要作用是完成初始信道的选择，对网络配置初始化、接受子节点的加入；路由器的主要作用是参与数据的转发，通过允许别的节点加入来扩展网络的覆盖范围；终端主要负责与路由器建立连接，并将采集到的数据发送给协调点。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，适用于范围很广的网络，并支持多播和广播特性。

ZigBee协议网络有三种拓扑结构:星型结构、簇树型结构和网型结构，消息从一个节点如何路由至另一个节点完全取决于网络拓扑结构；这里所设计的无线生物传感器网络采用的是只有一个中心节点，所有消息都经过它传输的星型结构连接，包括一个网关节点、若干个无线通信子节点。

发明内容

1、所要解决的技术问题

现有的煤尘浓度监测系统大都基于有线网络，设备昂贵，不利于网络规模的扩大，在进行监测时往往传输不够方便、快速，且可靠性较低，不能将监测结果实时的发送给监测中心，同时监测范围不够全面。

2、技术方案

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法，本方法采用基于ZigBee协议的无线传感网络对井下煤尘浓度进行实时的采样，再运用无线通信技术将数据传输到网关节点，网关节点对煤尘浓度进行数据分析，在采集数据后将各个子系统的数据集中传送至监测中心，实现实时监测。

硬件设计以ARM处理器为核心，通过RS232与ZigBee模块相连接，实现串口通信，在进行煤尘监测时，选定监测地点，在不同监测地点各放有煤尘浓度传感器、报警器和ZigBee模块。ZigBee模块通过串口与传感器模块相连接，用于接收传感器传送过来的煤尘浓度数据，对数据进行处理和相应的转换后，通过无线传感网络发送至网关节点。基于ZigBee协议的无线传感网络可实现动态路由，当发送数据的ZigBee模块与网关节点间的信道不通时可立即搜寻另一信道，以保证数据能够及时、准确的传送到网关节点。电源部分采用TPS60211作为管理芯片，该电源管理芯片具有低功耗的特点，且工作状态可以通过编程控制，还具有电源自检测报警功能，从整体上也使得系统的能耗进一步降低。

本发明设计的网关节点包括嵌入式微处理器模块、无线收发模块、操作系统和应用程序等，实现了通信、数据处理、协议转换、显示于一体的功能。

（1）中央微处理器模块

采用32位S3C2410A微处理器，该处理器运算速度快，片内集成资源丰富。S3C2410A在片上集成了单独的16KB指令Cache和16KB数据Cache、用于虚拟存储器管理的MMU、支持STN和TFT的LCD控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O口、RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口、I2C总线接口、I2S总线接口、USB主设备、USB从设备、SD主卡和MMC（Multi Media Card，多媒体卡）卡接口、2通道的SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口）以及PLL时钟发生器。S3C2410A的CPU内核采用的是16/32位ARM920T 内核，同时还采用了AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture，先进的微控制器总线体系结构）新型总线结构。嵌入式系统及其外围模块如图2所示。

（2） 无线收发模块

这里的无线通信模块采用性能较强、功耗较低的SOC芯片CC2530。CC2530 是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。它提供了高达256KB的闪存以支持更大的应用，具有很好的地址识别和数据包处理引擎，更好的匹配了RF前端，支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。而且具有更低的功耗，其内部除微处理器模块外，还集成了射频发射模块，具有良好的抗干扰能力，且其发送频率可以根据应用场景的不同进行调整，通过调整发送频率可以有效的降低无线传感器中节点的功耗。

（3） 煤尘浓度传感器

煤尘浓度的测量使用GCG1000型煤尘浓度传感器，该传感器适用于煤矿及其它有危险性的作业环境中现场连续监测其大气中的总粉尘浓度，可以很好的监测煤尘浓度，且具有体积小、重量轻、便于安装、测量快速、信号传输方便等特点；测得的煤尘浓度通过数码管现场显示并转化成频率信号输出当浓度超出一定值时，报警器进行报警。

软件设计采用的Linux操作系统。Linux系统高效，具有很好的灵活性,其模块化的设计结构，具有多任务、多用户的能力，且具有TCP/IP协议栈。根据ZigBee模块在该系统中所处的层次，将其分为两个级别：与系统控制器相连的是第一级，用来接收数据信息并将系统控制器发出的控制命令传送给其他模块，主要负责系统中的中央控制器和外部设备间的无线通信。与传感器相连的是第二级，当ZigBee模块接收到传感器的报警信号时，将信息通过无线传感网络传输出去。

3、有益效果

本发明充分运用无线通信技术和嵌入式技术，设计出一种基于无线传感网络的煤尘浓度监测系统，该系统具有如下有益效果。

（1）传输方便、实时性好

本方法基于无线传感网络，且采用ZigBee技术，克服了传统有线通信的众多缺点，以网关节点为控制核心，使得传输方便、快速，具备对井下煤尘浓度的实时监测能力。

（2）监测范围广

本方法充分运用了无线传感器的特点，通过在需要监测的范围安置众多的监测节点，可以有效的扩大监测范围。

（3）低复杂度、低功耗

本方法基于无线传感网络，省去了传统有线通信监测中复杂的布线工作，使得整体复杂度较低。且采用了ZigBee技术，由于ZigBee的传输速率低,发射功率低,采用了休眠模式，故ZigBee技术的使用使得该方法具有低功耗的特点。

附图说明

图1无线传感网络节点原理图

图2 嵌入式系统及其外围模块

具体实施方式

下面通过实施例来对本发明进行详细说明。

实施例1

其工作方式如下，

整个系统整体上由中央微处理器、无线射频收发模块、煤尘浓度传感器组成。

首先，系统以ARM9为核心，通过RS232与ZigBee模块相接，实现串口通信，选定监测地点之后，根据需要在不同的监测地点放置煤尘浓度传感器、报警器和ZigBee模块。用于对监测地点进行数据的采集。

然后，对ZigBee模块进行初始化，并且根据情况进行级别选择，在煤尘浓度传感器进行数据采集之后，用于接收传感器传送过来的煤尘浓度数据。

最后，对于接收到的煤尘浓度数据和信号进行处理和相应的转换后，通过无线传感网络发送至网关节点，系统控制器作出响应，实现对煤尘浓度的监测。当煤尘浓度高于一定值时，报警器进行报警。

Claims (4)

1.一种基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法，整个系统整体上包括：中央微处理器、无线射频收发模块、煤尘浓度传感器。

2.如权利要求1所述的基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法，其特征在于：系统以ARM9为核心，通过RS232与ZigBee模块相接，实现串口通信，选定监测地点之后，根据需要在不同的监测地点放置煤尘浓度传感器、报警器和ZigBee模块，用于对监测地点进行数据的采集。

3.如权利要求1-2所述的基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法，其特征在于：对ZigBee模块进行初始化，并且根据情况进行级别选择，在煤尘浓度传感器进行数据采集之后，用于接收传感器传送过来的煤尘浓度数据。

4.如权利要求1-3所述的基于无线传感网络的煤尘浓度检测方法，其特征在于：对于接收到的煤尘浓度数据和信号进行处理和相应的转换后，通过无线传感网络发送至网关节点，系统控制器作出响应，实现对煤尘浓度的监测，当煤尘浓度高于一定值时，报警器进行报警。

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