摘要：基于智能化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無可比擬的優(yōu)勢(shì)，本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了以CC2530為核心的中心節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)。通過傳感器全方位地對(duì)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行采集，把采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的處理和傳送，然后進(jìn)行預(yù)警。操作人員通過上位機(jī)顯示所需井下的瓦斯?jié)舛鹊刃畔?shù)，實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的監(jiān)控、查詢、打印，并通過互聯(lián)網(wǎng)和上級(jí)部門保持通信。

1.引言

近年來，由于礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛瘸匏?，煤礦重大、特大瓦斯爆炸事故時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，給礦井安裝煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，做好礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)工作就變得尤為重要。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，突破了鋪設(shè)電力線的局限性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)(接收節(jié)點(diǎn))和采集節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心。中心節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)和上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)發(fā)來的指令信息，再通過無線傳輸?shù)姆绞桨言撔畔l(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)。把采集節(jié)點(diǎn)安裝在希望監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛鹊牡胤?，該?jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行該處瓦斯?jié)舛鹊牟杉蛽Q算，并通模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)附近瓦斯?jié)舛鹊目刂疲摴?jié)點(diǎn)接收到中心節(jié)點(diǎn)(接收節(jié)點(diǎn))通信命令后，把采集到的瓦斯?jié)舛刃畔l(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。如果瓦斯?jié)舛瘸?，接收?jié)點(diǎn)發(fā)出聲光報(bào)警，提示作業(yè)人員停止正在進(jìn)行的工作，疏散工人，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。提升了煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警能力，為煤礦安全生產(chǎn)提供了非常有力的保障。

2.系統(tǒng)總體方案

本著性能可靠、造價(jià)低、功耗低、效率高等一些基本原則，給出本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。煤礦井上監(jiān)控中心為了獲取所需要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息，和井下通過光纖連接進(jìn)行以太網(wǎng)通信。在礦井下面使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)，無線傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)控，控制技術(shù)使用智能控制技術(shù)控制瓦斯?jié)舛却笮?，確保瓦斯值在安全的生產(chǎn)范圍，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊闹悄芑刂芠1]。如圖1所示

圖1

在煤礦井下用無線通信技術(shù)組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)包括地下傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、有線骨干網(wǎng)、監(jiān)控中心。

3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

通信芯片的選擇，經(jīng)?？紤]的是Freescale公司的MC13192/MC13193無線收發(fā)器，TI公司的MSP430，ATmega128L這兩種無線收發(fā)器都需要外接處理器。經(jīng)過綜合考慮分析，選擇了TI公司生產(chǎn)的CC2530[3]，30結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KBRAM和許多其它強(qiáng)大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。

3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

采集節(jié)點(diǎn)由CC2530主控芯片、電源管理模塊、復(fù)位電路、瓦斯?jié)舛炔杉岸?、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和CC2591功率放大電路組成。如圖2所示

圖2

采集節(jié)點(diǎn)通過瓦斯參數(shù)采集傳感器進(jìn)行瓦斯?jié)舛鹊牟杉?，并通過無線傳輸模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)；同時(shí)還通過智能控制中的模糊PID控制算法，根據(jù)瓦斯?jié)舛葘?shí)現(xiàn)電磁閥的控制，如果濃度過大打開電磁閥，把瓦斯氣體排出井內(nèi)，反之，關(guān)閉電磁閥。從而把瓦斯?jié)舛却笮】刂圃诎踩纳a(chǎn)范圍內(nèi)。

僅采用CC2530的RF模塊傳輸，不能達(dá)到傳輸距離的要求，為了解決功率放大的問題，我們使用了TI公司的2.4GHz的射頻前端芯片CC2591來提高無線通信部分的發(fā)射功率，進(jìn)一步改善了其發(fā)射和接收靈敏度，從而延長(zhǎng)通信距離。

3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖

接收節(jié)點(diǎn)由CC2530主控芯片、電源管理模塊、復(fù)位電路、以太網(wǎng)通信模塊、聲光報(bào)警和CC2591功率放大電路組成。如圖3所示

圖3

用戶往往通過串口獲得中心節(jié)點(diǎn)匯聚的數(shù)據(jù)。如果現(xiàn)場(chǎng)安裝多個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，用串口發(fā)送到監(jiān)控中心的話，則需要串口服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，增加中間設(shè)備，增大調(diào)試成本。如果中心節(jié)點(diǎn)把采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，直接通過以太網(wǎng)的方式發(fā)送給監(jiān)控平臺(tái)，則就可以省去串口服務(wù)器。但CC2530受處理器速度和內(nèi)存限制，無法運(yùn)行TCP/IP協(xié)議。由于網(wǎng)絡(luò)芯片ENC28J60在硬件在實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議，CC2530可以通過該網(wǎng)絡(luò)芯片實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

4.1采集節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采集節(jié)點(diǎn)主要電源管理模塊、復(fù)位電路、瓦斯?jié)舛炔杉岸?、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和CC2591功率放大電路組成。下面主要介紹一下瓦斯?jié)舛炔杉岸恕㈦姶砰y驅(qū)動(dòng)電路和CC2591功率放大電路的實(shí)現(xiàn)方式。

4.1.1瓦斯?jié)舛炔杉岸?/strong>