基于GPRS和Zigbee无线传感器网络的矿井综合监控系统的设计

煤矿 定位 无线 论文 研究

信息工程 煤 炭 工 程 2008年第11期

基于GPRS和Zigbee无线传感器网络的

矿井综合监控系统的设计

高丽丽,徐克宝,栾兆学

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1

2

(1 山东科技大学机电学院,山东青岛 266510;2 泰安市公路局,山东泰安 271000)

摘 要:针对井下各环境参数采集和人员定位的需求,充分利用无线传感器网络的特点,提出了一种基于GPRS和Zigbee无线传感器网络综合监控系统的设计方案,并介绍了系统的软、硬

件设计思想和方法。本设计改变了传统无线传感网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制。

关键词:无线传感器网络;GPRS;Zigbee;综合监控

中图分类号:TD76 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2008)11 0120 03

煤矿安全监控系统在煤矿安全生产中起着举足轻重的作用。然而,由于有线监控监测系统其自身的局限性以及煤矿井下的复杂性,矿井下的一些环境参数,如甲烷、粉尘、负压、温湿度、一氧化碳等都没有得到有效地监测,从而引起极大的安全隐患。本文针对实际需求,综合利用计算机控制技术、Zigbee技术、GPRS技术等,提出一种集井下跟踪定位、环境参数监测、灾后急救、日常管理等于一体的综合监控系统。

2 系统总体方案

在本系统中,将无线传感器网络节点设计为两类,即固定数据采集节点和移动数据采集节点[3]。固定节点安装在巷道的固定位置,移动节点配带在矿工身上或安装在运动的矿车设备上。为保证网络的稳定性和可靠性,根据矿井实际需要,作业面之间每隔150m左右的距离可安装一个Zigbee无线传感基站模块,同时在特殊需要的定位点也安装,这样井下巷道将被多个Zigbee传感模块组成的网络所覆盖。

针对数据采集节点数目多,分布范围广等特点,采用ZigBee无线传感器网络技术和GPRS通信相结合的方式来进行数据通讯。按照主从节点的设计模式,数据传输是由两部分构成的,第一部是数据由从节点传输到主节点,即利用ZigBee无线传感器网络将某一区域内所有从节点的运行数据集中到一个中心节点。第二部分是数据由主节点传输到监控中心,因为距离较远,采用GPRS传输技术,通过GPRS无线网络将信息通过串口通讯方式传送至地面监控中心。这样,不但很方便地实现了数据的远程传输,而且大大节省了数据传输的成本,数据的整个传输过程如图1

。

1 Zigbee与GPRS技术

ZigBee是近年来出现的面向低成本设备无线联网要求的技术,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术[1],完整的协议栈只有32kB,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。以上特点决定ZigBee技术非常适合应用在无线传感器网络中,它主要应用于近距离的无线连接。在煤矿安全监测系统中,使用Zigbee作为无线传输有着其显著的优势。

GPRS无线网络技术是目前成熟的技术,无需布线、使用安装方便、成本低、监控不受距离、地域、时间的限制。它运行可靠,数据采集实时性强,漏码误码极少,克服、解决了其他通信方式存在的各种问题。在保证数据传输及时、准确的前提下,将系统运行费用也降到了极低,所以广泛的用于远程的无线工业监控领域。采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低,适合作为无线传感器网络的数据节点[2]。

本文利用ZigBee作为局部的无线组网方式,而利用GPRS作为远程的无线数据传输方式,这样很方便地实现了局部无线到远程无线的连接。 收稿日期:

2008-09-03工作。

图1 数据传输过程

整个系统分为井下智能监控终端、无线通信系统(GPRS数据传输终端、GPRS网络)和地面监控中心三大部分。系统结构图如图2所示。

作者简介:高丽丽(1971-),女,山东莱州人,讲师,现在山东科技大学主要从事测控技术和机电技术的科研和教学

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2008年第11期 煤 炭 工 程 信息工程

端内置的嵌入式处理器进行处理以及协议的封装,然后发送到GPRS网络,GPRS网络通过串行通讯方式与地面监控

图2 系统结构图

智能监控终端主要由Zigbee传感器节点模块、控制器模块、微处理器模块以及报警器组成,位于各监控点,主要用于环境监测(包括瓦斯浓度探测,一氧化碳浓度探测,空气温湿度探测等)和矿工定位等功能,负责完成信息的采集以及响应监控中心所发出的控制命令。通信系统负责传输监测数据及命令,由监控终端通过GPRS模块接入GPRS网络,从而通过GPRS网络的网关支持节点GGSN接入因特网。监控中心是整个系统的核心,完成的任务包括整个系统的控制、数据处理比较以决定是否发出报警、对整个系统的数据进行自动备份等。

GPRS数据传输终端硬件设计主要包括微处理器模块、程序存储器模块、GPRS模块及显示模块等。微处理器模块是传感器核心部分,和其他模块一起完成数据的采集、处理和收发。在本系统设计中我们采用三星公司的S3C44BOX微处理器,该微处理器是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案,它使用ARM7TDMI核,工作在66MHz,具有ARM处理器的所有优点,低功耗、高性能;同时又具有非常丰富的片上资源,非常适合嵌入式产品的开发[5]。

程序存储器采用29EE512的Flash芯片,该芯片容量为0 5MB,使用两片使程序存储器容量为1M即可满足系统需要。

GPRS模块主要包括模数转换、数据处理和通信模块等。GPRS传输模块选择的是西门子公司的MC39I。MC39I是新一代的双频GSM/GPRS无线模块,是目前使用广泛的MC35IGPRS模块的环保型升级换代产品。它采用紧凑型设计,完全兼容于上一代的MC35产品,为用户提供了简单、内嵌式的无线GPRS连接。MC39I有丰富的AT命令,功能强大,操作灵活方便,是传统调制解调器与CPRS无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备。该模块集射频电路和基带于一体,向用户提供标准的AT命令接口,为传输数据、语音和短信息提供快速、可靠、安全的传输,方便用户的应用开发及设计[6]

。

显示模块的主要作用是方便实时地了解现场情况。由于井下工作环境恶劣,粉尘较多,因此使用了一种使用寿命较长、抗震的LCD显示器。44box内部带有液晶驱动电

图4 GPRS数据传输终端结构图

中心进行通信,监控中心接收到数据后对数据进行分析处理,并将有效数据保存到监控中

心数据库中。

3 系统硬件设计

3 1 传感器网络节点的设计

传统的传感器节点通常由Zighee传感器模块、处理器模块、无线收发模块和能量供应模块组成,它能够准确地采集各环境参数的值并进行初步处理,遇险情时报警,接收监控中心的数据请求命令,将采集的数据发给监控中心。

本文传感器节点设计方案采用了CC2430ZigBee芯片。CC2430芯片是Chipcon公司的首款符合ZigBee技术的2 4GHz射频系统单芯片,它延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(增强型8051),具有128kB可编程闪存和8kB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(WatchdogTimer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PoweronReset)、掉电检测电路(BrownOutDetection),以及21个可编程I/O引脚[4]。

相对于其它处理器芯片加无线射频模块的方案,采用CC2430为核心构造无线传感器网络节点的方案不仅能够满足整个系统的数据采集、无线通信和人员定位等功能的需求,而且具有功耗低,电路简单,节点体积小以及成本低廉等优势。因此,传感器网络节点采用了CC2430为硬件的核心,其框图如图3

。

图3 无线传感器网络节点的硬件框图

3 2 GPRS数据传输终端的设计

井下监控终端采集到的数据通过zigbee无线传感器模块与GPRS数据传输终端相连接,并通过GPRS数据传输终

图5 软件流程图

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信息工程 煤 炭 工 程 2008年第11期

基于DSP技术的矿井扩频通信装置研究

姚善化,黄 伟

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(1 安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南 232001;

2 淮南矿业集团谢一矿,安徽淮南 232001)

摘 要:文章简要介绍了DSP技术及其优点,对DSP技术在煤矿井下移动通信系统中的应用进行了分析,并设计了基于DSP技术的矿井扩频接收机硬件结构图。 关键词:DSP;扩频通信;矿井通信;TMS320

中图分类号:TN915 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2008)11 0122 03

Researchonmineexpendedfrequencycommunication

devicebaseonDSP

YAOShan-hua1,HUANGWe2i

(1 SchoolofElectricandInformationEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,232001,China;

2 XieyiMine,HuainanCoalMiningGroupCorporationLtd,Huainan,

232001,China)

Abstract:ThepaperintroducedtheDSPtechnologyandtheadvantages.ThepaperanalyzedtheapplicationoftheDSPtechnologytothemineundergroundmobilecommunicationsystem.ThepaperdesignedthehardwarestructuraldiagramofthemineexpendedfrequencyreceiverbaseonDSPtechnology.Keywords:DSP;expendedfrequencycommunication;minecommunication;TMS320路,因此显示模块使用CPU自带的LCD控制器,节省了硬件的开发成本。

灵活组网、建设成本等角度出发,提出了将ZigBee和GPRS两种技术相结合的无线传感网络设计思想,实现了井下环境参数及人员定位的实时监测和预警。这一设计方案的提出,改变了传统无线传感网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制,使网络具有非常显著的优点,将为煤矿企业安全生产、日常管理以及事故急救带来新的契机。参考文献:

[1]

http://www.77cn.com.cn.

[2] 顾瑞红,张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用

[J].电子技术应用,2005,学出版社,http:

2005.

[2006-06-21].

31(6).

[3] 孙利民,李建中,等.无线传感网络[M].北京:清华大[4] Chipcon公司.CC2430DataSheet[EB/OL].

ZigBeeSPeeifieation.URL:www.

Zigbee

4 系统软件设计

系统软件的主要功能包括各种数据的采集与处理、路由算法的实现、无线收发相关程序的设计等。这里只给出传感器网络软件流程如图5所示,传感器网络软件主要包括三部分:从节点数据的采集和传送,主节点数据的收集和主节点数据发送至数据中心。考虑到程序的开发周期和可读性,程序使用C语言进行开发。

数据中心采用轮询方式,主节点在接受到查询请求后,对自己所有的从节点所监控的状态数据进行采集,然后统一上传到数据中心,数据中心将传送来的数据进行入库保存,并实时地显示到平台上。当用户觉得没有监控的需要时,可以退出程序,终止监控;如果需要重新进行监控时,只要重新启动程序即可。

//www zigbee123 com/html/down/tech/41178172126.htm.

5 结 语

基于井下环境参数及人员定位等需求,从无线路由、 收稿日期:

2008-04-07

[5] 周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京:北京航空

航天大学出版社,2003.

(责任编辑 赵巧芝)

基金项目:淮南市科技局基金资助项目(1C023)

作者简介:姚善化(1966-),男,安徽淮南人,副教授,1988年毕业于电子科技大学电子工程系,长期从事数字移动

通信的教学和煤矿通信的科研工作,现为安徽大学电磁场与微波技术专业博士研究生。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/glvi.html