无线传感器网络--大作业

基于无线传感网络的煤矿瓦斯检测
系统
近年来瓦斯爆炸的安全事故频频发生，严重威胁了生产的安全，给国家和人民造成重大的损失。

其中一个很重要的原因就是瓦斯生产的安全，给国家和人民造成了重大损失。

其中，一个很重要的原因就是瓦斯监控设备不能很好地发挥作用。

传统的瓦斯监控设备，监控范围有限，并且基本采用有线模式传输信号，在矿井中使用十分不便。

而无线传感器网络存在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式组成的一个多跳的自组织网络，其目的是采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并通过无线模块发送给观察者。

是集数据的采集、融合、分析、传输于一体，具有展开快速、可靠稳定、可维护性好等特点，特别适用于环境恶劣、不方便人工监控和通过有线网络监控的场所。

如果将其应用于煤矿中，配上上层监控软件，可以很好地实现对煤矿内重点区域瓦斯浓度的实时监控、显示和预警，对煤矿的安全生产起着非常重要的作用。

下面就提出一种基于无线传感网络的煤矿瓦斯预警系统的设计方法。

1、系统构架设计
矿井瓦斯监测系统由监测传感器、井下分站、信息传输系统和地面中心等部分组成。

井下分站和地面中心站的连接部分即是信息传输系统。

信息传输系统按结构可以分为放射状、环状和树状三种。

在同等的监控容量的情况下，减少系统的分支，井下各分站就近接入由井上中心站下来的系统电缆。

在无线通信设计中井下现有光纤通信系统相当于树的主干，井下各分站由无线通信系统中的主节点代替，各个主节点接入多个无线传感器子节点，每个主节点与其接入的子节点构成一组。

井巷瓦斯监测无线通信系统是结合井下现有光纤通信系统和无线瓦斯传感器网络提出的一种瓦斯监测系统。

利用每一个传感器均具有的检测功能，同时又具有信号的接收、处理、判断、控制检测系统开关、发送以及根据信号对检测系统开关进行控制的特点。

2、传感器节点设计
传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块及电源模块4部分组成,如图2所示。

传感器模块负责监测区内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,接收和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;电源模块为传感器、处理器及无线模块提供运行所需的能量,并对其进行管理,以达到最大的使用效率。

(1) 传感器节点硬件电路设计
从传感器节点的系统造价、开发程度、资源处理能力、基本通信协议能力、二次开发能力及其通信可靠性方面考虑进行硬件电路设计。

1) 微处理模块。

采用ATEML 公司的AT2MEGA128AVR微处理器( 8 位) ,其128 kB 的系统内可编程Flash存储器, 4 kB 的EEPROM、4 kB 的SRAM基本满足了系统对存储空间的要求,不需要扩展存储空间,减少了系统的能耗; 8通道10位A /
D转换器基本满足了传感器数据转换和精度的要求; 6种可以通过软件选择的省电模式,为系统节省大部分电源;先进的指令集以及单周期指令执行时间,ATmega128的数据吞吐率高达1 M IPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗与处理速度之间的矛盾。

2) 无线模块。

采用由(Chipcon公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块CC2420,它是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件,其MAC层和PHY层协议符合802. 1 5. 4规范,工作于2. 4 GHz频段。

该芯片只需极少外部元器件,可确保短距离通信的有效性和可靠性。

数据传输支持数据传输率高达250 kbit/ s,可以实现多点对多点的快速组网,系统体积小、成本低、功耗小,适于电池长期供电,具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。

3) 传感器模块。

采用红外型气体传感器，其检测原理是：不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关，利用这一原理可以测量某种气体的浓度。

随着光电器件技术和微电子技术的迅速发展，目前已经出现了性能良好的红外发光光源、窄带滤波片和性能稳定的红外探测器，这为我们研制一种适合煤矿井下使用的红外甲烷传感器创造了条件。

利用红外吸收原理研制的CDE=4 型传感器具有测量范围宽、响应时间快、对甲烷气体选择性好、不中毒、寿命长、自动清零、无需调校等突出的优点
4) 电源模块。

主要为传感器、微处理器、无线收发器提供能源,并对电源进行管理,以提高能量的利用率,一般采用干电池供电(2节1. 5 V) 。

(2) 传感器节点的基本工作流程
节点的基本工作流程主要包括系统上电自检、数据采集模块、数据接收与发送及电源管理等模块。

系统上电后启动程序,对各端口进行配置,利用中断的方式执行相应的模块。

基本工作流程如下图所示。

3、网关板的设计
网关节点主要是接收来自其他节点的数据,并对数据进行校正、融合等处理,既发给监测中心,又对监控中心所发的指令进行相应处理。

接收数据部分用
CC2420无线收发芯片,可以统一传输协议,保证传输的可靠性。

由于还要进行数据处理,网关节点就不附加传感器,以提高处理器对数据的处理能力,同样采用ATMEGA128芯片。

监控中心一般远离监测点,采用西门子公司的MC55 GPRS模块来实现数据的远程传输。

该模块内嵌的TCP / IP协议,既降低了设计的难度, 又提高了微处理器处理其他数据的能力。

MC55与单片机的连接非常简单,标准的串口可直接与单片机的串口连接,如果不连接到PC机还不需要扩展接口;MC55支持标准的AT命令,其通信可以调用相应的AT命令实现。

网关节点基本工作流程如图所示。

4、无线传感器网络瓦斯监测系统的软件开发
Tiny-os是加州大学分校专门为无线传感器网络开发的一种微型操作系统，它不是传统意义上的操作系统，确切地说它是一个适用于网络化嵌入式系统的编程框架，通过在这个框架内链接一组必要的组件，就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。

在tiny-OS 上编写程序使用的语言为nesC。

以C 语言为语法基础，为支持基于组件的编程模式，引入了接口和组件的概念。

（1）节点检测模块软件实现
程序开始，传感器节点初始化，然后进入低功耗工作（睡眠）模式等待被唤醒，处理器处于空闲状态，但SPI 端口和中断系统仍将继续工作，随时接受系统中断请求。

当采集定时间到时，系统发送信号采集请求，节点进入工作状态，采集瓦斯浓度数据并发送。

发送完毕后，系统又返回到低功耗模式。

在低功耗模式下，如果有允许的中断请求发生，CPU将被唤醒并进入工作状态，执行中断服务程序。

中断返回后，系统又回到低功耗模式。

如此循环反复，监控煤矿内瓦斯浓度变化。

（2）监控软件设计
监控软件设计主要由C#完成，负责对采集的数据进行显示、分析和保存。

使用C#可硬实现多种图形，如饼状图、散射图，仅适用少量代码。

当采集到的数据超过预先设定的警戒浓度时，监控系统将发出预警信息，并相应采取有效措施降低矿井内瓦斯浓度。

5、节点的协议
为了网络的组建以实现数据的有效传输,并保证节点电能的最大效率,传感
器节点采用Zigbee协议。

这些传感器节点只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个节点,从而达到较高的通信效率。

网关节点一部分与传感器节点通信则采用相同协议,而另一部分要与监测中心通信,采用TCP / IP协议,与监测中心通信利用现有的GPRS网络,不需要单独组网,能够很容易地连接到Intemet,而MC55模块内嵌TCP /IP协议,降低了设计的难度。

6、结语
本系统采用CC2420无线模块、ATMEGA128微处理器、温度传感器及MC55GPRS 模块构建无线传感网络,集实时监测、报警、无线通信等多功能于一体的煤矿瓦斯监控预警系统，充分发挥了无线传感器网络监控范围大、间歇工作节省能量、部署灵活等优点，解决了在环境复杂、恶劣的煤矿中对瓦斯浓度的监控和预警，不仅可实现煤矿采空区的温度监测,监测范围广,数据的传输和管理方便,而且开发成本和运行成本低,特别适合于中、小煤矿采空区的温度监测,移植与功能扩展方便,更换与增加不同的传感器又可构建其他监测网络。

参考文献
1、徐毅.《无线传感器网络原理与方法》清华大学出版社 2012
2、王满福.煤矿通信系统组网模式探讨.通信世界, 2004; (14):
46～47
3、任丰原, 黄海宁, 林闯. 无线传感器网络. 软件学报, 2003;
14(7):1282～1291。