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大量采集節點隨機部署在井下各監測區域，以自組織方式構成簇狀網絡，某個節點出現故障也不影響網絡運行，保證了數據傳輸的可靠性和系統的安全性。為保證系統的擴展性和易操作性，整個井下監測系統采用模塊化設計，根據需要選擇不同的傳感器模塊與采集母板連接。井上監測系統主要是實時采集、存儲、監視和處理來自遠程終端設備節點的各種環境信息，并且能夠隨時設定基本閾值、超限報警閾值等參數，實現對井下開采環境的有效監控和管理。

1無線傳感器網絡的構建

系統層次型網絡:采集節點和匯聚節點組成第一層無線網絡，匯聚節點和網關節點構成第二層無線網絡，網關節點和上位機構成第三層網絡。將每一個區域的節點劃分為1個簇，作為網絡的基本單元，采集節點負責采集該區域內的各個環境變量;區域出口放置匯聚節點，其主要負責簇網絡的管理、采集節點采集信息的匯聚與轉發。在升井口放置協調器節點(網關節點)，通過網線將其和井外上位機相連，發送網絡控制命令，匯聚各個匯聚節點轉發的信息，同時，S3C44B0X對信息處理后通過網口將信息傳輸給井外的上位機。

2系統的硬件設計

傳感器節點由低功耗無線單片機MC13213、信息采集模塊、無線網關、電源管理模塊等部分組成，系統節點集成度高、功耗低、體積小、抗干擾能力強、靈敏度高，發射功率為4dBm，通信距離為30～100m［5］。

2．1采集節點硬件設計

系統無線單片機采用飛思卡爾公司推出的MC13213，其內部集成了HCS08MCU和符合ZigBee技術的2．4GHz無線收發器，采用SIP系統單封裝，內含60kBFLASH及4kBRAM，并自帶嵌入式閃存，工作電壓為2．0～3．4V，集成8位外部中斷、8通道10位模數轉換、低壓檢測LVD和看門狗定時器，具有優良的無線接收靈敏度(－94dBm)和強大的抗干擾性能。另外，集成收發/接收(Tx/Rx)開關，外圍電路簡單，可編程引腳豐富，并包含CAN、UART、I2C等常用接口［5］。無線傳感器網絡在應用中存在的最大問題就是能量問題，一旦節點的能量耗盡，節點就將退出無線傳感器網絡，影響整個系統的正常運行。要保證在煤礦井下惡劣環境下傳感器能夠正常工作，在傳感器的選型上，綜合考慮了成本、精度和穩定性等因素，采用一氧化碳傳感器NAP－505、瓦斯傳感器KGS－20、氧氣傳感器O2－A2和溫濕度傳感器SHT10。

2．2電源管理模塊

電源管理模塊為其他模塊提供能量，是保證系統正常運行的前提條件。系統中采用了3種節點，為了滿足其不同供電需求，設計了2種供電方式:外部直流供電方式和內部電池直流供電方式。由于傳感器采集節點是移動的，可以隨機放在井下的任何位置采集環境信息，因此可采用電池供電;由于匯聚節點和網關節點是固定在巷道內不需要移動，正常情況下用外部直流電源供電，當發生意外情況導致外部直流電源不能夠供電時，電源管理模塊會自動切換到電池供電方式，以保證節點和網絡的正常運行。

2．3網關節點設計

網關節點處理器模塊采用Samsung公司生產的S3C44B0XARM微處理器，其片內集成了ARM7TDMI核，芯片內部集成了LCD控制器、SDRAM控制器、2個串行接口控制器、PWM控制器、I2C控制器、IIS控制器、實時時鐘、AD轉換等豐富的外圍控制模塊，提供Thumb16位壓縮指令集和JTAG軟件調試方式，有4種電源管理模式，支持省電模式，完全能滿足系統要求［6－7］。

3系統的軟件設計

3．1通信傳輸協議

在無線傳輸過程中，由于受傳輸距離、噪聲、現場狀況等因素的影響，采集節點和匯聚節點之間、各匯聚節點之間、匯聚節點和網關節點之間通信常常會發生無法預測的錯誤，影響數據的傳遞。要保證系統能夠可靠地通信，通信傳輸協議的制訂變得尤為重要。為了減少能量的損耗，提取有效數據，通過測試和試驗發現，0XAA后跟0X55在噪聲中不易發生能量損耗，所以協議規定只接收以0XAA+0X55開頭的數據包［8］。采集節點到監控中心的幀有2種:數據幀和狀態幀。監控中心到采集節點的幀有2種:查詢與控制工作狀態命令幀和應答確認幀。

3．2節點程序設計

3．2．1節點工作方式為了保證系統監測的實時性，一方面需要網絡對煤礦井下環境進行長期監測，按照設定的周期將采集到的信息送到網關節點，同時，系統必須考慮無線傳感器網絡的節能問題，由于無線通信能耗是整個無線傳感器網絡能耗的主要部分，因此著重考慮無線收發系統的能耗管理。另一方面，在有緊急事件發生(如CH4濃度超限、溫度超限或者CO濃度超限)的情況下，網關節點需要通過采集節點在盡可能短的時間內得到緊急信息，及時將井下環境信息發送到上位機。基于上述原因，設計了煤礦井下環境監控系統的2種工作方式:定期巡檢工作方式和喚醒工作方式，分別實現井下各個監測信息的周期性監測和緊急事件監測。在定期巡檢工作方式下，網絡的各節點完成部署并形成網絡之后，先由網關節點廣播1個睡眠命令，通過各匯聚節點中繼轉發至各采集節點，采集節點收到之后轉入睡眠狀態;經過1個睡眠周期后各端節點醒來，等待匯聚節點的數據收集命令;當匯聚節點廣播數據收集命令后，不同的傳感器采集節點進行數據采集，并將采集到的環境信息傳送至匯聚節點;匯聚節點將收集到的數據傳輸給網關節點，這樣便完成了1個工作周期。網關節點將收集到的數據處理完畢后會再次廣播睡眠命令，以控制各簇節點再次進入睡眠狀態［7］。在喚醒工作方式下，無線傳感器網絡的網關節點和匯聚節點一直處于偵聽狀態，而采集節點絕大部分時間處于睡眠狀態，但傳感器將不間斷地監測環境信息。當傳感器監測到某一數據超限時，例如CH4濃度超過設定的閾值，傳感器就以中斷的方式喚醒采集節點，然后采集節點立即將采集的數據傳向匯聚節點，匯聚節點再經過網關節點將數據傳輸到井上監測系統，供相關工作人員進一步處理［7］。

3．2．2數據傳輸過程根據所定義的傳輸協議，首先，采集節點采集環境信息，包括空氣的溫濕度及CO、O2和CH4濃度，按照自定義的數據格式形成信息數據包。采集節點發送該數據包，匯聚節點接收到數據包后，修改其中的下一目的節點的ID，之后再轉發數據包，直至到達網關節點，完成環境數據信息的無線傳輸和網關節點對信息的匯聚。

4井上監控系統的實現與監測試驗

4．1井上監控系統的實現井上監控中心以MicrosoftVisualStudio2008作為開發平臺，采用C#語言對系統進行開發，使用MicrosoftSQLServer2005數據庫對數據進行管理，系統要同時完成接收數據、

存儲數據、處理數據等多項任務，通過調用System．Threading命名空間里的Thread類來實現多線程。數據的實時動態顯示是通過第三方Chart控件實現的。井上監控中心根據功能劃分，主要包括數據接收、數據存儲、數據顯示、預警四大功能模塊。1)數據接收模塊。井上監控系統通過網線和井下的網關相連接，計算機只需要實時監聽本地IP地址的固定端口，基于socket編程技術，根據自定義的數據包格式，接收并提取采集的井下環境信息。2)數據存儲模塊。當計算機監聽并接收到數據后，在對數據處理之前，需要先對數據包進行解析，把數據按采集時間和種類進行分類，分別存儲在數據庫中對應的數據表中。3)數據顯示模塊。為了更直觀地觀測到井下環境數據的變化情況，從數據庫中讀取對應的環境信息數據，通過第三方Chart控件，將數據動態實時地顯示在系統主頁面上。4)預警功能模塊。井下的工作環境很重要，對超出閾值的節點，對應的節點類型和節點號顯示在監測系統超出閾值的節點列表中，以便井上工作人員及時通知井下人員撤離不安全區域。

4．2監測試驗

在模擬礦井中進行現場試驗，用不同的傳感器節點和母板相連，在試驗中使用了一氧化碳傳感器節點、瓦斯傳感器節點、溫濕度傳感器節點、氧氣濃度傳感器節點。同時這些節點與網關節點構成監測網絡，負責對井下監測區域環境信息的實時采集，并傳輸到井外的監測中心。由井上監控中心對數據進行存儲、處理及實時顯示。試驗過程中，使用傳感器節點30個，匯聚節點5個，網關節點1個。各種環境參數的閾值是通過井上監控中心系統來設置的，當監測結果超過設定的相應最佳參數閾值時，則將所采集的參數類型和節點的編號顯示在閾值節點列表中。由于數據都存儲在后臺的數據庫中，調用時比較麻煩，為此設計系統時可以選擇需要的參數數據導出到Excel表中，供煤礦專家進行研究。為安全起見，在測試系統的性能過程中，只選取了溫濕度傳感器，在試驗過程中人為地對溫濕度傳感器進行了加熱，試驗結果表明:溫度變化能夠及時地在監測系統中反映出來，系統性能穩定，并能實現對CH4、CO、O2濃度以及空氣溫濕度的實時監測。

5結語

將無線傳感器網絡應用到煤炭開采環境監測中，具有傳統的井下環境監測無法比擬的優勢。基于wsn的煤礦安全監測預警系統是以ARM控制器為核心，以無線傳感器網絡和Internet技術為支撐的集監測、顯示、通信和預警等多功能于一體的煤礦環境實時監測預警系統，該系統充分發揮了兩種網絡的優點，為煤礦井下開采環境的監測提供了一種有效的解決方案，可提高煤礦井下生產的安全性。

作者：劉銘楊智勇常超單位：重慶工程職業技術學院信息工程學院重慶大學自動化學院