基于ZigBee的井下安全监控系统无线漫游网络.pdf
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1、2 0 0 8 年第2 2 卷第3 期测试技术学报V 0 1 2 2N o 32 0 0 8(总第6 9 期)J O U R N A LO FT E S TA N DM E A s u R E M E N TTECHNoLoGY(SumN o 6 9)文章编号:1 6 7 1 7 4 4 9(2 0 0 8)0 3 0 2 4 5 0 5基于Z i g B e e 的井下安全监控系统无线漫游网络陈爱武h 2,孙立新1,张记龙1 2,王志斌(1 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原0 3 0 0 5 1;2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原0 3 0 0 5
2、 1)摘要:提出一种基于Z i g B e e 通讯技术的煤矿瓦斯浓度监测的井下无线通信网络,该网络中无线通信节点模块呈树状结构分布,实现井上监控室到井下主巷道和分巷道工作面之间的通信,实时检测多个采煤工作面瓦斯浓度状况该网络还可实现人员定位功能,矿工的矿帽上安装一个带有固定编号的无线通讯模块,将矿帽编号发送至附近无线通信节点,无线通信节点将该节点编号及矿帽编号通过网络一起发送至井上监控室,通过检测矿帽编号及无线节点的编号即可判断该矿工的位置关键词:瓦斯检测;网络漫游IZ i g B e e 技术中图分类号:T P 2 7 7文献标识码:AM i n eS a f em o n i t o r
3、 i n gW i r e l e s sN e t w o r kB a s e do nt h eZ i g B e eT e c h n o l o g yC H E NA i w u l”,S U NL i x i n l,Z H A N GJ i l o n 9 1“,W A N GZ h i b i n l(1 E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e ro fS h a n x i P r o v i n c ef o rO p t o E l e c t r o n i cI n f o r
4、 m a t i o na n dI n s t r u m e n t,N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a,T a i y u a n0 3 0 0 5 1,C h i n a;2 K e yL a b o r a t o r yo fI n s t r u m e n t a t i o nS c i e n c ea n dD y n a m i cM e a s u r e m e n t,M i n i s t r yo fE d u c a t i o n,N o r t hU n i v e r s i t yo fC h i n a
5、,T a i y u a n0 3 0 0 5 1,C h i n a)A b s t r a c t:Aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hm o n i t o r st h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o ni nc o a lm i n eb a s e do nZ i g B e et e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e d T h en e t w o r kc o n s i s t so fm a
6、n yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn o d ed i s t r i b u t i n gi nd e n d r i f o r mc o n f i g u r a t i o n,c a nr e a l i z et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na m o n gt h eg r o u n dm o n i t o rp l a t f o r ma n dt h eu n d e r g r o u n dw o r kp l a t f o r m so fm i n
7、 e,d e t e c t i n gm e t h a n ec o n c e n t r a t i o n T h en e t w o r kc a nb e e nu s e di np e r s o n n e ll o c a t i o ni nm i n e Aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nu n i tw i t hs p e c i a ls e r i a ln u m b e ri sf i x e di nt h ec a po fm i n e r,w h e nt h es e r i a ln u m b
8、 e ri ss e n tt ot h ep r o x i m a t ec o m m u n i c a t i o nn o d e t h es e r i a ln u m b e r so ft h eu n i ta n dt h en o d ew i l lb es e n dt ot h eg r o u n dm o n i t o rp l a t f o r m,a n dt h em a n a g e rc a ng a i nt h ep o s i t i o no fm i n e rb yt h es e r i a ln u m b e r s K
9、e yw o r d s:m e t h a n ec o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n g;n e t w o r kr o a m i n g;Z i g B e et e c h n o l o g y煤炭是我国的重要能源,煤炭的安全生产一直受到人们的普遍关注随着科学技术的发展,煤炭企业的信息化势在必行现阶段,我国煤炭企业信息化表现为煤矿安全生产监控系统、自动化控制系统与企业管理信息系统的高度集成然而由于煤矿安全生产监控系统在数据处理以及传输方式上的差异,限制了这些的信息共享程度,阻碍了煤炭企业的信息化进程收稿日期:2 0 0 7 1 0
10、1 6基金项目:科技部国际科技合作重点项目(2 0 0 6 D F B 7 2 5 1 0),山西省留学回国人员重点科研基金资助项目(2 0 0 6 9)作者简介:陈爱武(1 9 6 6 一),女,高级工程师硕士。主要从事电子测控技术研究 万方数据2 4 6测试技术学报2 0 0 8 年第3 期煤矿通讯主要涉及两个方面:一个是人员考勤和设备监控,另一个是井下环境监测环境监测包括对井下不同空间、时间的瓦斯浓度、温度、湿度的测量、记录、判断和预警是煤矿安全生产,减少事故的重要手段井下的结构如图1 所示,包括主坑道和开采面通常井下的主坑道铺设了完备的通讯网络,分布在主坑道内的环境传感器可以通过这个网
11、络将测量参数传递到地面控制室在后台做数据的分析、记录、预警等处理然而分支矿道(即主坑道到开采面)的距离可延伸到几百米至数公里,由于工程限制,这一段通常不铺设有线通讯网络,那么在开采过程中开采面附近的环境参数无法得到实时监测,而这个位置却是最危险的地段,瓦斯浓度的变化也最频繁现有的措施是在开采面和分支坑道分布若干分立式传感器由工作人员现场读取测量数值实现本地监控有些地方在井下工人的矿帽上加装瓦斯浓度传感器,当工人在开0 舻、蟛搿点露缅r 渣譬唼P 秦垂尹图1 一般煤矿矿井结构F i g 1G e n e r a l l yc o a lm i n ep i ts t r u c t u r e采
12、面附近工作时可以关注附近的瓦斯浓度显然,更有效、更理想的环境监控方式可实现远程集中监控这样就必须把分布在各个分矿道的传感器的数值传送到地面的中心控制室目前的生产方式下,在每个分矿道大规模的铺设有线通讯网络是不现实的这样井下无线传感网络的设想被提出1系统设计以及Z i g B e e 技术特点1 1功能描述为实现理想的井下环境监控,本系统包括两类传感装置一种传感器加装在矿工的矿帽上,包括气体浓度和温度传感器这种气体浓度传感器使用廉价的电催化介质检测瓦斯浓度,精度比较低矿帽上的电路将这个传感装置的测量值传给附近无线节点(相当于无线通讯的中继单元),节点逐级上传到主坑道的通讯主干线,再传送到地面的后
13、台计算机另一类传感电路加装在节点机箱上,包括瓦斯浓度和温度传感器其中瓦斯浓度传感器是高精度的光纤传感器在分矿道内,每间隔一定距离安置一个节点节点的作用有两个:一是提供气体浓度、温度的显示;二是作为无线通讯的中介传递前向节点和附近矿帽传来的数据到下一级节点这些数据将逐级上传,最后到达地面控制室其结构如图2所示整个系统完成以下3 项功能:图2 井下无线传感网络的结构示意图脚2M n es h a f tw i r e l e s ss e n s i n gn e t w o r k 蜘P t l c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g1)远程监测监测各固定
14、节点处和各移动矿帽处的环境参数把这些参数实时传送到井上 1 2)漫游定位移动矿帽在各个节点之间自由移动随机接人离它最近的节点后台计算机通过分析某个矿帽通过哪个节点接入网络,判断此时矿工的位置3)本地监测节点机箱显示该处环境参数,提供给井下矿工矿帽同时提供瓦斯浓度的超限报警1 2 系统结构该系统由分布在井下的节点和自由移动的矿帽组成采用Z i g B e e T M 通讯技术,选用M a x S t r e a m 公司的X b e e P r o 无线通讯模块连接各节点和矿帽 2 3 万方数据(总第6 9 期)基于Z i g B e e 的井下安全监控系统无线漫游网络(陈爱武等)2 4 7如图
15、2 所示,网络采用链状拓扑结构各节点串联连接,由主通道开始向分矿井尽头铺设,每间隔1 0 0m 左右加一个节点各节点采用电池供电,相互之间无线连接同时各节点附瓦斯浓度和气温传感器,监测该点环境参数矿帽在矿井内任意移动,由无线传感模块和传感电路组成,动态寻找附近节点,接入无线传感网络(即网络漫游功能),随时通过网络将环境参数和位置信息上传到后台计算机n 1 3 原理论证为实现这个井下网络的功能,无线传输模块需要具备一下几个方面的特质:免许可频段显然这个系统不可能单独申请专用频段;数字传输较之传送模拟信号现代数字通讯技术具有误码可控,可寻址等优势;同一空间多设备的频谱公用在井下环境中,节点附近的矿
16、帽是随机分布的可能在同一空间,容纳多个设备所以要实现频谱的共用;可寻址的无线通讯用于节点之间要实现中继,每个节点必须知道上级和下级的目标地址才能做定向传输;短距离通讯1 0 0 2 0 0m 是一个合适的选择距离太短,作为中继的节点数量会太多距离太长不利于系统对矿帽的定位;通讯速率要求不高由于这个无线传感网络只需要传递环境参数和一些网络状态通讯的数据量不大;低功耗矿帽是电池供电,不可能为无线模块提供太大的能量符合以上要求的、现有的、流行的短距离无线通讯技术主要有W i F i,B l u e t o o t h,U W B,Z i g B e e 的考察这些技术之后,Z i g B e e 技
17、术更能胜任这个系统的无线通讯功能Z i g B e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术其基础是I E E E8 0 2 1 5 4 技术标准,工作在2 4G H z 频段,直接扩频模式因其省电、可靠、延时短、网络容量大的特点,非常适合于无线传感网络的应用Z i g B e e 可组建一个多达6 50 0 0 个无线模块的无线数传网络,模块之间的距离可以达到标准的7 5m 到数百米,扩展后可达数公里 5 在本文论述的井下监控网络设计中,Z i g B e e 无线模块选用了美国M a x s t r e a m 公司的X B e e P r o 无线传输模块这是一款产品具有Z i g B
18、 e e 协议包含的基本功能,以标准串行口与主机相连如图2 所示,在井下网络中,各节点和矿帽都包含一个无线通讯模块各节点无线模块要把自己的目标地址设为上一级地址矿帽机每隔2s 把测得的环境数据以广播格式发出这样在该矿帽附近的节点就可以接受到矿帽的数据各节点每隔两秒把2s 内收到的附近所有矿帽的数据和自身测量到的环境参数打成一个数据包,向上一级传送另外,每个节点在接受到下级节点的数据后向上一级传送这样各个矿帽和节点的检测数据就会不断地传送到最上一级,最后通过网关接入主干线网络2 实现方案及分析2 1 节点软硬件设计如图3 所示,节点包括传感器电路、单片机(8 9 L S 5 2)、无线模块(X
19、B e e P r o)组成每个节点有一个8 一B I T 编码作为本机通讯地址,编址范围从1 -2 5 5,这个地址在节点安放到井下时通过机箱上的键盘设置,从0 号机开始,逐级加1 向井下延伸每隔2s 将本机的数据和28 内接受到的附近矿帽的数据发给上级节点 6 7 格式如图4 所示节点同时作为通讯中继,把下级发送来的数据转发到上级(见图2)I 镂倒节点咖慌源管理l一!II 充电管理ll 键盘指示及显示圈3 节点硬件结构F i g 3N o d eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e2 2 矿帽的软硬件设计同步码数据目的字节长度本机,-,类型地址 _
20、一地址距离气体浓度矿帽编号气体浓度八1 温度广-一_ 八,温度巨正【工工 圈4 节点通讯格式F i E 4N o d ec o m m u n i c a t i o nf o r m矿帽机使用单片机作为控制,外接无线通讯模块和传感器,结构如图5 所示 万方数据2 4 8测试技术学报2 0 0 8 年第3 期由图5 可见,矿帽的基本结构和节点机相同,只是电池更小,键盘更简单,传感器更廉价,没有读数指示,只有L E D 和蜂鸣器的报警每个矿帽机有一个1 6 一B I T 固定编号作为通讯地址,从1 6 进制0 x 8 0 0 0 到0 x F F F F 每间隔2s,矿帽机读取一次温度和瓦斯浓度
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- 基于 ZigBee 井下 安全 监控 系统 无线 漫游 网络
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