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1、SeriesNo.380February2008 金 属 矿 山METAL M I NE总第380期2008年第2期3 安徽省高校科技创新团队计划项目(编号:2006KJ005TD),安徽自然科学基金项目(编号:050450404),安徽省教育厅自然科学基金项目(编号:2006KJ086B)。邓 明(1976),男,安徽理工大学能源与安全学院博士研究生,阜阳师范学院计算机与信息学院讲师,236041安徽省阜阳市。张国枢(1943),男,安徽理工大学能源与安全学院,教授,博士生导师,232001安徽省淮南市。一种用于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络设计3邓 明1,2 张国枢1 陈 蕴2(1.安徽理工
2、大学;2.阜阳师范学院)摘 要 无线传感器网络是现代无线通信技术、微型传感器技术和网络技术相结合的产物,是近年来迅速发展的一种新型网络技术,它的出现对环境监测、家庭自动化和后勤服务等领域将产生革命性的影响。在介绍无线传感器网络特点的基础上,分析了无线传感器网络用于煤矿瓦斯监测的优势,讨论了传感器网络硬件设计原则,给出了用于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络系统方案,重点研究了传感器节点硬件结构。与传统的监测系统相比,该系统具有结构灵活、可扩展性强、测量准确等特点。关键词 煤矿 瓦斯监测 无线传感器网络 智能化节点Design ofW ireless Sensor Network System for
3、 CoalM ine GasM on itoringDengMing1,2Zhang Guoshu1Chen Yun2(1.Anhui University of Science and Technology;2.Fuyang Nor mal College)AbstractW ireless sensor networks(WSN)is a rising network technology,which integrates technologies ofwirelesscommunication,micro2sensor and net work1Itwill impose a revol
4、utionary impacton fields such as environmentalmonitoring,home automation,and logistics1The paper describes the features ofWSN,analyzes the advantages ofMSN technology forcoalmine gasmonitoring,discussesMSN hardware design principles,proposesMSN system formonitoringmine coal gas,and highlights the se
5、nsor nodes structure1Compared with conventional monitoring system,this system is characterizes bystructural flexibility,great extensibility and accurate measurement.KeywordsCoalmine,Gasmonitoring,W ireless sensor net work,intelligentized node 矿井瓦斯监测系统是煤矿高产、高效、安全生产的重要保证。20世纪末,我国从波兰、法国、德国等西方国家引进了一批监控系
6、统。同时,国内一些科研院所和企业也展开了研究,先后研制出了KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等煤矿安全监控系统。随着电子技术、计算机技术的发展以及企业自身的需要,又相继推出了一批综合化和数字化监测系统,如KJF2000、KJG2000等。现有的矿井监测监控系统在保证煤矿安全生产、提高生产率和设备利用率等方面发挥了重要作用,但由于系统监测容量小、电缆用量大、系统性价比低,难以满足煤矿安全生产的需要,特别表现在以下两方面:只能测量固定地方的瓦斯浓度,有测量盲区,对于采掘面等危险地点,大多仍是采用便携仪监测;没有针对移动监控进行研制
7、,没有用于体积小、功能齐全的便携式仪器接入的移动测控网。因此,有线网络较难达到动态全方位监测,需要采用先进技术进行网络改造。无线传感器网络综合了无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统(MEMS),以无线方式感知并处理节点实时采集的各种环境信息,通过传输网络传送到控制中心。1 无线传感器网络概述无线传感器网络(wireless sensor network,WSN,以下称传感器网络)是由大量广泛分布、具有通信与计算能力的微小传感器节点构成的、采用无线通信方式构成的自治网络系统。传感器网络与传统的网络相比,虽有相似之处,但又具有一些特殊的地方。主要表现在以下3个方面123:(1)自组织(Self
8、-organized)网络。在传感器221 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/网络中,传感器节点通常布设在无网络设施的恶劣的外界环境之中,这要求网络能够在复杂环境中重新组建网络路由。网络节点通过分配协议和分布式算法能够重新恢复其配置,并且动态地创建通信链路。(2)动态拓扑网络。根据传感器网络自身的特点,传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效。如在工作和睡眠状态之间切换,电能耗尽,环境条件变化,传感器网络感知对象移动,以及新传感节点的加入或传感节点的删
9、除等等。因而传感器网络的拓扑结构可能随时发生改变,从而导致传感节点通信时断时通,造成网络动态变化。(3)节能网络。由于传感器节点的微型化,节点的电池能量有限,而且受限于物理条件,难以给节点更换电池,因而节点间歇式工作。当无事可做时,节点处于休眠状态,当基于外部执行或定时情况下,再将其唤醒。2 瓦斯监测无线传感器网络实施方案2.1 网络体系结构传感器网络的应用范围非常广泛,其中矿山环境监测是一类典型的应用。由于煤矿瓦斯传感器网络具有拓扑动态变化、数据转发多跳的特点,为了确保网络的通畅与能量消耗节约,采用层次性的网络结构。一个适用范围用煤矿瓦斯监测的传感器网络系统结构如图1所示。网络底层为部署在采
10、掘工作面中的传感器节点,并构成传感器网络,采集风流中瓦斯浓度。网关搜集网络中的监测数据经过传输网络初步处理后(如数据压缩、数据融合等)发送到设置在巷道中的基站,基站再通过有线方式传输到地面中央控制机,控制机对数据进行管理与分析,从面实现对井下有线测量盲区的实时监控,监控中心也可向基站发出命令。2.2 传感器单节点体系结构组建适用于井下瓦斯监测的无线传感器网络,首先要求组成的节点可靠且有效,同时,节点的设计必须满足小型化、低成本和微功耗。传感器节点通常都是一个微型的嵌入式系统,它不是把原始数据传送给网关,而只是传送需要处理的数据。一个传感器节点一般由5个主要部分组成:控制器、存储器、传感器和执行
11、器、通信设备和电源,功能更强大的还含有定位系统、运动系统或执行机构、电源再生模块,如图24。图1 煤矿瓦斯监测无线传感器网络系统示意图2 传感器节点体系结构下面结合煤矿行业的特点,给出其核心部件的设计。2.2.1 控制器控制器是无线传感器节点的计算核心。它负责控制整个传感器节点的运行,采集并处理本身采集的数据,判断何时发送数据,并接收其他节点发来的数据,同时判定执行器的动作。另外,能量计算、数据整合和数据转储程序等都在这个模块的支持下完成。传感器网络节点中一般采用的微控制器包括Atmel处理器或Texas InstrumentsMSP430,也有采用Intel StrongArm处理器的。本设
12、计选用TI公司的MSP430超低功耗处理器。该处理器是专门为嵌入式应用而设计的,采用16位R ISC核,时钟频率4 MHz,适用于不同类型外围设备的指令集。它拥有多个12位模/数转器以及可变的片上RAM,功能完整、集成度高,且根据存储容量的大小可选择多种引脚兼容的型号。2.2.2 通信设备实际通信中,传感器节点既需要发射机又需要接收机。无线收发机是由上述两种设备组合成的单一实体。由于在无线信道上不能同时进行发送和接收,所以设计中采用半双工通信方式。321 邓 明等:一种用于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络设计 2008年第2期 1994-2008 China Academic Journal El
13、ectronic Publishing House.All rights reserved.http:/适合WSN的无线收发机有很多,比如RFMTR1000、Infineon TDA525x、MC13192等,其中Chip2con公司生产的CC1000、CC2420是比较典型的产品。本设计采用CC1000芯片。CC1000芯片基于Chipcon公司的Smart RF技术,工作在3001 000MHz频带,具有250 Hz步长可编辑频率。CC1000集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解调等多种功能,同时它可以对晶振的温度漂移进行补偿。2.2.3 传感器传感器大致可以分为3类:被动全
14、向传感器、被动窄束传感器和主动传感器,在实际应用中多采用窄束传感器5。综合测量精度、功耗、尺寸、可靠性和成本等因素,设计中选用了M I D04智能化红外甲烷传感器。M I D04传感器具有测量范围宽,响应时间快,对甲烷气体选择性好等优点。防爆结构为矿用本安型EXib(150),测量范围0%99%CH4,测量误差不大于 0.1%(0.00%1.00%CH4时)或不大于 10%(1.00%CH4时)。红外型气体传感器检测原理是:不同气体对红外光有不同的吸收光谱,某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度有关。单波长吸收光谱型传感器根据Lambert定律6I=I0e-cL,(1)式中,I,I0为吸收后
15、和吸收前射线强度;为吸收系数;c为介质浓度;L为介质厚度。从(1)式可看出,根据透射和入射光强之比,可以得知气体的浓度。2.2.4 传感器节点电源传感器网络一般都布置在人烟稀少或危险的区域,因而对于移动的传感器网络来讲,电源是系统的关键部分,节点的电能一旦耗尽,即宣布其寿命到期并退出网络,由剩下的节点再重新组网。在设计电源时,首先考虑按照要求的方式储能和供电,其次可根据目标环境选择特殊的能源供给方式,如太阳能、风能、振动能等。为了适应传感器体积小的特点,设计采用CR2354锂电池。CR2354额定工作输出电压3 V,容量350 mAh。常温环境中,保持工作电压23V,可持续供电2个月以上。3
16、结 论无线传感器网络提供了一种新的数据获取和处理方式,将传感器网络技术应用于煤矿瓦斯监测,对有线监测系统难以或者不能及时达到的区域实施有效、实时和灵活的监测,从而构建了一个统一、优化、共享的矿井综合安全信息系统,提高了系统的可扩展性。随着无线传感器网络技术的日益成熟和完善,无线传感设备性价比的提高以及相关研究的不断深入,与传统网络相比,传感器网络的优势将会更加明显,无线传感器网络技术在矿山环境实时监测领域必定有着广阔的应用前景。参 考 文 献1 陈永锋,谢小明.矿山安全生产监测系统模型研究J.金属矿山,2006(2):69271.2 孙豁然,徐 帅.论数字矿山J.金属矿山,2007(2):12
17、5.3 郑少仁,王海涛,刘志峰,等.Ad hoc网络技术M.北京:人民邮电出版社,2005.4 孙利民,李建中,陈 渝,等.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社,200515 马祖长,孙怡宁,梅 涛.无线传感器网络综述J.通信学报,2004,25(4):1142124.6 Akyildiz I F,Su W1Sankarasubramaniam Y,Cayirci E1A surveyon sensor networks J.IEEE CommunicationsMagazine,2002,40(8):102211417 Holger Karl,AndreasW illing.无线传感器网络
18、协议与体系结构M.邱天爽,唐 洪,李 婷,等译 1北京:电子工业出版社,2007.8 电子技术信息港.近红外波长瓦斯浓度检测技术 EB/OL 1ht2tp:/ _ 615 _ 1.html,2006206223.(收稿日期 2007212210)信息苑 重庆巫山发现储量达3亿t铁矿 重庆市国土资源局日前表示,在重庆市巫山县探明一铁矿,已证实储量上亿吨,远景储量估计在3亿t左右,是重庆市迄今为止发现的最大铁矿。据介绍,该铁矿带长8.5 km,宽2.5 km,平均厚度3.3 m。铁矿中铁含量平均达到42%,超过我国平均水平5个百分点。421总第380期 金 属 矿 山 2008年第2期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/