矿井无线传输系统

矿井无线传输系统（精选8篇）

矿井无线传输系统 篇1

0 引言

为加强煤与瓦斯突出管理, 防止误揭煤, 煤矿对所有地质构造、煤层赋存状况不清楚的岩巷掘进工作面必须先探后掘[1]。常用的方法是通过打勘探眼来探知地质情况。针对矿井勘探眼监测的局域性、复杂性特点, 本文采用无线网络技术及传感器技术, 设计了矿井勘探眼无线监测系统。该系统实现了对矿井勘探眼地下环境的实时监测及历史数据查询, 为煤矿安全生产提供了保证。

1 系统总体设计

矿井勘探眼无线监测系统由无线传感器网络、分站、主站和上位机监控系统组成, 如图1所示。系统通过传感器网络采集矿井勘探眼的各种参数, 并以此为根据判断地质情况[2,3]。将采集区域分为多个点进行监测, 一个点就是一个分站点, 相当于一个ZigBee节点。一个CC2530模块作为一个主站点, 用来接收各从站点发出的数据。相应监测点的传感器网络将采集到的数据送到相应的分站点, 分站点将数据进行处理后通过射频模块发出, 主站点通过射频模块接收数据, 再通过串口RS232将数据送往上位机进行显示及存储[4]。

2 上位机监控软件设计

目前的软件开发平台可以分为两大类:一类是利用传统的程序设计语言自行开发和设计, 常用的如Visual C++, Visual Basic等;另一类使用组态软件, 如WinCC, iFix等。考虑到开发成本等因素, 采用Visual Basic自行编程完成系统上位机监控界面的设计[5]。

2.1 主站通信程序设计

主站通过RS232与上位机进行通信。VB6.0本身含有串行通信控件MSComm, 只要设置其相关属性就可完成通信[6,7]。相关设置如下:

MSComm1.Settings="9 600, n, 8, 1";//串口以9 600的波特率进行通信, 无奇偶校验位, 8位数据位, 1位停止位

MSComm1.InputMode=1;//以二进制接收

MSComm1.ComPort=1;//通过串口1进行通信

MSComm1.Inputlen=0;//一次读取接收缓冲区中的所有数据

MSComm1.InBufferSize=512;//设置接收缓冲区为512Byte

MSComm1.OutBufferSize=512;//设置发送缓冲区为512Byte

MSComm1.Rthreshold=0;//每个字节到达接收缓冲区都触发接收事件

MSComm1.Sthreshold=0;//串口每接收1个数据就中断1次

由于采集的温度、水位、压力、瓦斯体积分数等都是缓慢变化的物理量, 所以设计系统启动以后进行定时数据采集, 即每隔10min上位机要求主站发一次数据。数据接收程序流程如图2所示。

2.2 数据库相关设计

(1) 实时数据显示。上位机通过串口接收到主站发来的代表各站点参数值的数据帧后, 首先进行校验, 然后将各站点的各参数数据分离, 再在相应的文本框中显示。同时判断各参数值是否在正常值范围之内, 如果不在则进行状态报警。

(2) 历史数据查询。选用Office组件自带的Access数据库来存储数据。利用VB6.0提供的Adodc控件来提供数据源, 只要设置相关的属性即可按时间顺序显示查询内容, 实现代码如下所示:

Adodc1.ConnectionString="Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;Data Source=D:水位水文监测最终水位水文监测.mdb;Persist Security Info=False";

Adodc1.RecordSource="select*from station1order by编号desc";//以编号顺序先显示后来的数据

Adodc1.Refresh;

Set DataGrid1.DataSource=Adodc1;

(3) 历史数据波形显示。为了直观地查看历史数据波形, 利用第三方组件ICOMP中的iplot控件来实现显示。使用iplot控件之前要先对其属性进行一系列的初始化, 其中包括X轴、Y轴的Title属性、Span属性、Min属性、Span属性、LabelsFormatStyle属性及DesiredIncrement属性等。需要注意的是, 设置了X轴、Y轴的Title属性后, 需要设置iPlotX1.XAxis (0) .TitleShow=True及iPlotX1.YAxis (0) .TitleShow=True, 使得相应的标题属性可见。为使程序简洁易读, 可以在通用用模块中定义Const onesecond as double=1/ (24#*60#*60#) 。历史数据显示程序流程如图3所示。

3 结语

矿井勘探眼无线监测系统可以实时监测相应的水文数据并对其进行存储和显示。本文给出了系统结构框图, 重点介绍了上位机监控软件的设计, 包括实时数据显示、历史数据查询及波形显示。测试结果表明, 该系统性能稳定, 具有很好的实用价值。

摘要：为了满足矿井勘探眼监测系统要求及监测网络化需求, 设计了矿井勘探眼无线监测系统, 给出了监测系统的整体构成, 重点介绍了主站通信程序及上位机监控软件设计。测试结果表明, 该系统性能稳定, 具有很好的实用价值。

关键词：矿井勘探眼,无线监测,数据库,ZigBee

参考文献

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[4]刘从新, 曾维鲁, 袁建伟, 等.GPRS在水文监测和报警系统中的应用[J].水电自动化与大坝监测, 2004, 28 (4) :77-80.

[5]赵翔雨, 师卫.ZigBee在水位监测中的应用[J].科技情报开发与经济, 2011, 21 (8) :143-145.

[6]谭晓东, 刘俊鹏, 谭丰.基于VB的自动化立体仓库监控系统设计[J].组合机床与自动化加工技术, 2008 (10) :75-77, 82.

[7]张彩霞, 林志贵, 刘阳.基于Modbus的发电机组监控软件设计[J].计算机应用, 2012, 32 (增刊2) :206-209.

矿井无线传输系统 篇2

【关键词】无线电波；坑透；工作面；构造

煤矿生产中的各种地质异常体，主要包括断层、褶曲、陷落柱、煤层厚度变化等，在矿井工作面回采过程中，各种地质异常体严重影响煤矿安全生产，查明地质异常体的性质及影响范围等对煤矿的高效安全生产具有重要的指导意义。应用无线电波透视技术可以定性到半定量地探查、分析矿井工作面内部的各种构造。

1.探测原理

无线电波透视法（简称坑透法）是一种地下电磁波法（或称交流电法）。电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性（电阻率ρ、介电常数ε等）不同，它们对电磁波能量的吸收有一定差异，电阻率低的岩、矿石具有较大的吸收作用。另外，伴随断裂构造所出现的界面，能对电磁波产生折射、反射等作用，也会使电磁波能量衰减和损耗。如果在发射机和接收机之间，电磁波在传播途径中，存在有对电磁波有较大吸收作用的地质体，如矿体、水体、地质构造等，就会使接收到的电磁波能量显著减弱，形成透视异常（或称为“阴影区”），变换发射机与接收机的位置，测得同一异常的“阴影区”，这些“阴影区”交汇的地方，就是异常的位置。研究矿体、各种岩石及地质构造对电磁波传播影响（包括吸收、反射、二次辐射等作用）所造成的各种异常，从而进行地质推断解释。一般情况下，煤层电阻率与煤层顶底板之间电性差异越大，异常反映越明显，电磁波CT成像探测效果会越好。

从地层电性分析，岩层的电性一般变化规律是从泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、砾岩、煤层、砂岩到灰岩，电阻率值逐渐增高，即煤层相对其顶、底板为一相对高阻电性层。电磁波在煤层中传播遇到地质异常体时，电磁波被差异吸收而造成接收场强变化来发现并分析地质异常体分布范围和类型的。电磁波在地下岩石中传播时，各种岩、矿石电性（电阻率和介电常数）的不同，当构造发育，一方面出现层位错动，局部裂隙发育，对电磁波的吸收增强，使接收的电磁波发生变化。这种电磁特征为无线电波透视探测技术的提供了良好的物性前提。

由于采煤工作面的巷道通常布置在煤层中这一煤矿技术条件，如果在透视时，使发射机与接收机处在同一煤层中，可利用均匀各项同性介质中应用较为简单的公式进行计算和解释。电磁波在均匀介质中辐射场表达式如下：

（1）

式（1）中：Ho-决定于发射功率和天线周围介质的初始场强；

-介质对电磁波能量的吸收系数；

-观测点到辐射源的直线距离。

2.资料处理方法

坑道无线电波透视资料的整理是将在坑下记录的实测场强H，通过电磁场强公式进行人工或计算机运算，求出初始场强H0，进而绘制所需的图件，为资料的解释提供依据。

坑道无线电波透视法资料解释的目的是根据探测工作面的地质、地球物理及透视区段的电磁参数分布规律，发现并预测有意义的异常，进而达到探测的目的。主要的解释方法有场强对比法、平面交会法、实测场强法和计算机层析成像法。场强对比法是坑透法中最基本、最主要的解释方法，而计算机层析成像法（CT）则是80年代来发展起来的新方法。

坑道无线电波透视的层析成像根据衰减系数分为两大类。通过测量场强值计算出被测区域内的衰减系数，这样取得的二维成像图称作绝对衰减层析成像。若设正常地段的衰减系数等于某一常数，则用这个常数与被测区域内衰减系数相减得到的成像图称为相对衰减层析成像图。这里可以用代数重建算法ART，联合迭代算法SIRT和反投影算法BPT来求解线性方程组，求出绝对衰减和相对衰减系数的分布。经过计算机的演算处理，最后由绘图子系统绘制坑透工作面视吸收率等值线图、色块图、立体图、灰度图和平面交会图等。本次使用代数重建算法进行计算，利用仪器生产方提供的解释软件绘制了色块图。

3.资料解释

数据的解释遵循与其它电法相同的规律与程序，即结合已知的地质、钻探和水文等资料，从已知到未知，从点到线，从线到面，从简单到复杂，去伪存真，由表及里的原则进行分析推断。

3.1 异常划分方法

无线电波透视成果图是原始观测值通过相对衰减算法进行层析成像处理而来，根据数理统计学，可把数据分成< 、、 、> 5个级别，并可设定为异常阀值（其中 为参数算术平均值， 为参数的标准偏差值）。对于 的区域定义为异常区。

3.2 异常解释方法

以人工解释为基础，计算机为工具，由粗到细逐步进行。人工解释通过对主干剖面的解释，勾绘地层总体赋存形态以及构造格局，为后期人机联作精细解释打下基础；而人机操作交互解释系统对于电磁法数据的解释具有特殊的优越性，是精细解释必不可少的工具。它能充分地利用人机界面对数据体进行精细解释，具有保持追踪功能，从而大大提高对各种地质现象的分辨率。物探异常具有相对性与多解性，需要结合已知的地质信息，按从已知到未知，从点到线，由线到面，由浅入深的原则进行综合分析，以提高成果的可靠性和精度。

4.木担坝煤矿10123工作面坑透实例分析

4.1 工作面概况

木担坝煤矿位于贵州省习水县，施工地点位于10123工作面，回风巷长度971m，运输巷长度958m，工作面倾向长度140m。煤层厚度1.0～2.4m，平均煤厚1.9m，煤层倾角5°～15°。煤层直接顶为泥岩，平均厚度约4.6m，老顶为粉砂岩，平均厚度约8.9m。煤层直接底为灰色泥岩，平均厚度约0.5m，老底为铝土质粘土岩，平均厚度约3m。该工作面在运输巷掘进里程102.5m处遇f18断层，在回风巷掘进里程189m处遇f18断层，在975m处遇f20断层，在667m处揭露一直径为19.6m的陷落柱。

4.2 测点布置与施工

本次施工使用的仪器为WKT-7型坑道无线电波透视仪，无线电波透视探测控制区域为10123工作面掌子面向巷口方向610m区段。10123工作面回风巷物探测点以B10导线点向切眼方向27.4m为起点，编号为0号。以0号为起点，向切眼方向每10m为1个点号依次编号，共编62个测点；运输巷物探测点以B12导线点向巷道外侧方向44.4m为起点，编号为0号。以0号为起点，向切眼方向每10m为1个点号依次编号，共编62个测点。两顺槽共编124个测点。

无线电波坑透探测采用定点发射，在对应巷道扇形接收的施工方式，无线电波透视采用40m一个发射点，在对面巷道10m接收，每个发射点接收7～11点。两顺槽共布置32个发射点。每个接收点至少有7次以上的覆盖。

4.3 无线电波透视成果

本次采用无线电波透视相对衰减层析成像技术对数据进行处理，相对衰减层析成像是用相对衰减算法进行层析处理，以电磁波场强衰减系数在工作面中的相对分布进行异常图像的重建。无线电波透视探测，共发现4处明显的相对衰减较强异常区，分别编号为1号异常、2号异常、3号异常和4号异常区。

根据无线电波透视成果并结合已知地质资料对4处异常区段进行综合推断，1号异常区，10123工作面在运输巷8～9号测点附近遇f18断层，在回风巷16号测点附近遇f18断层，其中f18断层在工作面内延展，推断该处异常区为f18断层影响所致。2号异常区，该异常在运输巷、回风巷掘进时未揭露地质构造，推断该异常区为隐伏地质构造异常区。3号异常区，该异常在运输巷掘进时未揭露地质构造，推断该异常区为隐伏地质构造异常区。4号异常区，该异常区附近采掘过程中揭露陷落柱等地质构造，推断该异常区为陷落柱等构造引起的地质异常区。

经过回采过程中实际揭露验证，4个异常区均得到了验证，验证情况与探测推断基本吻合，无线电波透视效果良好，无线电波透视成果图见图1。

5.结论

（1）无线电波透视技术是探查采煤工作面煤层中断裂构造、陷落柱等构造发育、展布等状况有效的矿井物探技术。通过回采前预先探测，对异常部位采取预防措施，为矿井安全生产可有效提供保障。

（2）无线电波透视技术探测时，金属支架、接地铁轨、电缆及其他金属导体等可能造成干扰，探测时须采取相应的抗干扰措施。

（3）对无线电波透视成果解释时，要结合现场的地质情况进行具体分析，解释成果才能更准确。

参考文献：

[1] 黄长国，罗国辉，康建宁，等.西南地区煤矿瓦斯灾害现状及防治对策研究 [J].矿业安全与环保，2015，42（5）：112-115.

[2] 徐衍和，董守华，李东会.无线电波坑透技术在矿井中的研究与应用[J].江苏地质，2007，31（1）：20-24.

[3] 朱希安，尹尚先，苑守成.无线电波透视法及其应用[J].辽宁工程技术大学学报，2002，21（5）：563-566.

矿井无线传输系统 篇3

1 系统功能

ZigBee的无线定位系统经济实用,工作可靠,可实现对井下工作人员的精确跟踪定位。该系统不但在发生事故时可发挥重要作用,也可对工作人员进行日常管理;既可对井下进行环境监测,也可完成人员定位任务。系统工作时,监控中心与终端可实现双向通信,即监控中心可以广播报警信号通知作业人员,作业人员也可以发送异常求救信号到监控中心[3,4]。

2 矿井ZigBee网络的构建及硬件实现

2.1 ZigBee网络的构建

工作人员作为ZigBee的终端节点,随身携带RFD设备(使用电池供电),与上层的路由设备(FFD)保持无线联络。由于井下工作人员数量较多,故路由器采用分区域设置。考虑到突发情况,为了避免节点出现故障而与网络断开,可以采用网状网络(mesh)组网,这样可保证数据不丢失。在网状网络的拓扑结构中,当其中某一个路由器(Router)出现故障时,则数据流选择其他的路由器或协调器(Coordinator)进行数据流的传输。考虑到巷道较深,故路由器之间采用无线电波接力的方式实现无线通信的连接。数据经协调器实时汇总后发送到PC机,在监控终端可以实时获取井下工作人员的集体信息。FFD设备作为协调器,采用有线电缆供电方式,同时要设有备用电源,防止灾害发生时由于电缆中断而无法正常工作[5,6]。

2.2 网络的硬件实现

井下无线通信网络硬件实现方式如图1所示,其中JN5139[5]End device节点由井下人员随身携带,作为终端节点,分布在各个巷道内,数量可以很多,实时与上层路由JN5139 Router节点之间进行信息的传递和接收,终端(End device)节点彼此之间不能进行通信,只能与上层的路由(Router)节点进行通信。JN5139 Router节点可作为管理节点,分布在各个巷道内,主要用于接收来自终端(End device)节点的信息并进行信息汇总,然后将收集并处理过的数据发送到协调器(Coordinator)节点。在网络中可以根据需求来选择路由节点个数,使其有效地管理各个巷道。协调器节点的主要任务是对来自各JN5139 Router节点的数据进行处理,经RS-232总线传递到PC机(网络中该节点只能设置1个)。

3 无线定位系统的实现

3.1 无线定位系统的硬件实现

通过对ZigBee无线通信网络的构建及无线定位算法LQI的研究,便可设计出如图2所示的无线定位系统。

通信的实现:

(1)“待定位节点”即为井下工作人员随身携带的终端节点,由于人员是不断流动的,因此终端节点分布在巷道的任意位置,并与路由节点进行无线连接用于数据传输。

(2)“锚节点”由分布在各个巷道内位置固定的路由器节点组成,其中锚节点与待定位节点之间采用无线通信方式进行链接和数据传输,而各路由器之间则采用无线电波接力的方式。最后路由器将收到所有信息汇总到协调器节点。

(3)“协调器”对接收到的数据进行处理,然后经RS-232总线将数据输送到地面的监控终端,实时显示待定位节点(即工作人员)的动态信息。

3.2 系统的软件实现

要想完成基于ZigBee的无线定位系统的设计,首先要对ZigBee的协议栈进行开发,具体的开发流程如图3所示。该流程图适用于平面或空间定位方案,路由节点和终端节点的个数由所选用的定位算法来确定。图1中的路由节点作为锚节点,设置在巷道内相应的位置,而终端节点由井下工作人员随身携带,从而实现对节点的定位。

要完成以上基于ZigBee网络开发的流程图的功能,需要对协调器(Coordinator)节点、路由(Router)节点、终端(End device)节点分别编写程序。以下是部分程序的说明:

4 结语

目前,国内外已有的井下监控与人员定位系统不能及时提供井下人员的动态分布情况及作业情况等信息,一旦出现事故,很难进行营救工作。因此,了解井下工作人员的动态信息对于解决灾后的救援显得非常重要。针对该问题设计的基于ZigBee的矿井无线定位系统,技术先进,功能完备,具有很高的实际应用价值。

摘要：煤矿井下环境十分复杂,现有的通信方式不能及时提供井下作业人员的作业情况及动态分布等信息,一旦发生事故,就将造成重大人员伤亡,很难展开有效救援。因此,研制新型的无线定位系统,具有十分重要的意义。设计了基于ZigBee技术的矿井无线定位系统,解决了井下的通信及定位问题。

关键词：井下,ZigBee,无线传感器网络,JN5139

参考文献

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矿井无线传输系统 篇4

在我国的能源结构中, 煤炭占一次能源生产和消费的70%左右, 预计到2050年仍将占50%以上, 因此在以后相当长的时期内, 煤炭仍将是我国的主要能源, 对我国有着重要的战略意义[1,2], 当前工业的快速发展对煤矿资源提出更高的要求。为更好地满足工业需求, 大型矿井生产进度不断深入, 井下高压供电网络中电缆接头数目不断增多, 电缆接头受温度、湿度、带载情况等影响, 爆炸事故频发。2005-2010年的事故统计数据显示[3]:在煤矿事故中, 直接机电事故导致的死亡人数居第5位, 由机电事故间接引发的瓦斯爆炸事故占瓦斯事故总数的48.1%, 间接引发的矿井火灾事故占火灾事故总数的80%。在机电事故中, 高压电缆着火又是该类事故的主要诱因, 2010年全国煤矿共发生一次死亡10人以上重大和特别重大火灾事故5起, 机电事故占4起, 其中3起由井下电缆着火引起。因此高压电缆接头的健康监测成为煤矿工业向高效安全方向发展过程中不可回避的重要问题。

目前关于煤矿井下高压电缆接头状态监测, 华北电力大学任燕等人提出一种通过车载式或手持式温度巡检仪定期收集电缆接头温度的矿山高压输电电缆接头巡测系统, 但系统实时性差, 对突发故障无法及时报警[4];中国矿业大学任惠和孙继平教授提出一种微处理器技术和总线式数字温度传感器技术相结合的接头温度在线监测系统, 但系统没有监测电缆电流和接线盒内湿度的状态信息[5];太原理工大学宋建成教授和齐建伟等提出了一种基于多参量的电缆接头状态在线监测装置, 上述两种在线监测装置均采用分布式网络化结构, 由于煤矿井下电缆接头分布广、数量多、相距随机性大, 存在线路铺设不便、经济性不高、通信线路易损坏及给井下作业带来不便等问题。

基于Zig Bee的无线传感网络以自组织网络特性、动态的拓扑结构、大范围网络覆盖和稳定的网络性能令其在物联网领域得到广泛应用。本文针对已有监控技术的局限性, 建立一个无线网络监测装置, 通过建立以XBee Pro为核心的Zig Bee无线传感网络实现矿井高压电缆接头状态的全网覆盖和实时监测监控。

1无线传感网络

1.1 Zig Bee技术

无线传感网络是一种融合了微电子技术、嵌入式计算机技术、无线通信技术、传感器技术、分布式信息处理技术和软件编程技术等一系列新型技术的Ad-hoc网络[6]。无线网络技术是无线传感网络的核心, 它对无线传感网络的拓扑结构、系统功耗、传输带宽、安全性以及系统成本有重要影响。常见的无线网络技术有蓝牙 (IEEE 802.15.1) [7], 超宽带技术 (IEEE 802.15.3) [8], Wi-Fi (802.11a/b/g) [9]和Zig Bee (IEEE 802.15.4) 。其中, Zig Bee联盟[10]以IEEE802.15.4协议的物理层和介质访问控制层为基础, 独立制定了网络层和应用层协议, 采用直接序列扩频 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) 技术, 开发了工作在ISM免费频段的Zig Bee技术。Zig Bee作为一种新型的无线网络技术, 以其在功耗、可靠性、安全性、网络容量、成本等方面的优势得到飞速发展。

1.2 Zig Bee网络拓扑结构及节点类型

网络拓扑结构关系到无线传感网络的建设成本、稳定性、可靠性及维护难易程度, 针对不同的环境和不同设计要求, 网络的拓扑结构也不一样。Zig Bee的网络拓扑结构主要有星型、树型和网状型。在一个完整的Zig Bee网络中通常存在三种类型的节点, 即协调器、路由器和无线终端, 这三类节点均由相同的无线模块配置而成。在一个无线网络中存在一个协调器, 其作用包括完成网络的初始化、更新网络拓扑、管理网络节点、提供路由选择等, 网络中可存在多个路由器和多个无线终端, 路由器既可收发数据又可路由数据, 无线终端则只能收发数据, 从软件配置上来看, 前者不具有低功耗模式而后者具有。

1.3Zig Bee无线组网

Zig Bee网络的建立由协调器发起, 在建立无线网络之前, 需要通过协调器确认、信道扫描、设置网络ID等过程完成网络初始化;然后是其他节点通过与协调器建立连接加入网络, 主要包括查找网络协调器、发送关联请求命令、等待处理、发送数据请求命令、命令响应等过程, 这些过程均在无线模块上电后自行完成, 无需人工操作。最后可通过专门的配置软件查看节点模块是否成功加入网络, 待所有节点成功加入网络后, 便可利用网络进行数据传输。Zig Bee是利用mesh路由建立源设备和目标设备间的数据传输路径 (mesh路由允许数据包在一个网络中跨越多个节点进行传输) , 其传输路径则由协调器和路由器通过无线自组网按需平面距离矢量路由协议 (Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing, AODV) 路由算法来完成[11]。

1.4XBee Pro模块

1.4.1 XBee Pro简介

XBee Pro是Digi公司推出的新一代基于ZigBee技术的无线传输模块, 其内核是Freescale公司的MC13193 RF芯片和型号为MC9S08GT60的8位微处理器, 它内置Zig Bee协议栈, 并通过串口使用AT命令集和API命令集对模块进行参数配置, 数据收发也通过串口进行, 该模块具有集成度高、接口简单、功耗低、性能稳定等特点。另外, Digi公司还开发了X-CTU和Zig Bee Operator两款软件用于模块参数配置, 便于模块的开发应用。

1.4.2 XBee Pro的串行通信

XBee Pro模块通过逻辑电平异步串行端口与主设备控制器连接。通过其串行接口, 该模块可与任何兼容UART的逻辑和电平的设备通信, 也可通过电平转换器连接到其他串行设备上。

XBee Pro支持透明传输模式和API串行接口两种通信方式。在透明模式时, 模块相当于一串口线, 所有通过DIN (数据输入) 引脚接收到的数被直接送到DOUT (数据输出) 引脚依次发送。基于数据帧的API传输模式拓展了模块的应用范围, 主设备可与模块的联网性能进行交互。在API模式下, 所有进出模块的数据被包含在定义模块的操作和事件的帧结构中, API帧结构如表1所示。

一个API帧包含了帧头、数据长度、数据内容、源地址、目标地址、校验码等各种信息。API帧结构的优势在于:可显示Zig Bee地址区域, 支持Zig Bee设备对象 (Zig Bee Device Object, ZDO) 命令, 增强了Zig Bee寻址功能;支持高级网络诊断, 使之容易识别节点信息;可进行远程配置, 提高工作效率。API帧发送后, 还会返回一个发送状态帧, 该帧将显示发送成功与否或者发送失败理由, 便于状态查询。

1.4.3 XBee Pro的远程配置

XBee Pro可利用配套开发底板和X-CTU软件对本模块进行信息读取和配置, 主要有AT命令方式和API方式两种配置方法。由于API方式配置手段多、功能全、效率高, 所以一般多采用API方式进行配置, 尤其是模块的远程配置, 需要发送API帧格式的远程命令给远程模块才能读取或设置模块参数。下面对API方式的远程配置举例说明:

模块A和模块B位于同一网络, 二者64位物理地址分别为00 13 A2 00 40 69 58 60和00 13 A200 40 69 58 5D。现通过模块A读取模块B的NI (Node Identifier, 网络识别码) 信息, 进行远程配置并验证配置结果。

(1) 由模块A发送数据帧:7E 00 0F 17 01 0013 A2 00 40 69 58 5D FF FE 00 4E 49 40。此数据帧中各数据含义依次如下:

7E帧头;00 0F数据长度;17远程命令请求;01帧ID;00 13 A2 00 40 69 58 5D目标地址, 此处为模块B的64位物理地址;FF FE模块A的网络地址;00广播半径;4E 49指令标识符NI对应的ascall码值;97校验码。

该数据帧发送后, 网络会根据目标地址寻找最佳路由将数据传送到模块B, 模块B接收到数据后进行命令识别, 此时模块A会收到来自模块B的返回信息帧:7E 00 12 97 01 00 13 A2 00 40 69 58 5D05 4F 4E 49 00 45 31 D3, 此数据帧中各数据含义依次如下:

7E帧头;00 0F数据长度;97远程命令反馈;01帧ID;00 13 A2 00 40 69 58 5D目标地址;05 4F模块B的网络地址;4E 49指令标识符NI;00广播半径;45 31反馈的数据内容, 其对应的ascall码值为E1;D3校验码。由此信息帧可知模块B的NI值为E1。

(2) 模块A发送数据帧:7E 00 11 17 01 00 13A2 00 40 69 58 5D FF FE 00 4E 49 45 46 B5。此数据帧中4E 49 45 46为数据内容, 对应的ascall码值为NIEF, 表示将模块B的网络识别码NI改为EF。数据发送后, 模块A会立即收到如下内容的返回信息帧:7E 00 0F 97 01 00 13 A2 00 40 69 58 5D 05 4F4E 49 00 69, 其中, 倒数第二位为数据状态位, 00表示配置成功。

(3) 为了验证模块A已成功对模块B进行远程NI配置, 可重复步骤 (1) , 由模块A发送数据帧7E00 0F 17 01 00 13 A2 00 40 69 58 5D FF FE 00 4E49 40, 此数据帧用于读取模块B的NI信息。然后模块A会立即收到返回信息帧:7E 00 12 97 01 0013 A2 00 40 69 58 5D 05 4F 4E 49 00 45 46 DE, 其中, 45 46对应的ascall码数据内容为EF, 这表明模块B的NI值已经变为EF, 模块A成功对模块B完成远程配置。

若模块断电, 通过远程配置的参数会丢失, 模块将恢复到配置前的参数设置。只有通过X-CTU软件配置并烧录到XBee Pro芯片内部的参数才不会因掉电而丢失。

1.4.4网络测试

选择三块XBee模块进行传输距离、睡眠测试。三块XBee模块分别为:模块A, 物理地址:0013A20040695860, 配置成协调器 (NI:C1) ;模块B, 物理地址:0013A2004069585D, 配置成路由器/无线终端 (NI:E1) ;模块C, 物理地址:0013A2004067B599, 配置成路由器/无线终端 (NI:E3) 。实验内容如下:

(1) 睡眠实验

先将C和E1其他参数恢复默认 (波特率9600, 不加密) , 再对E1进行睡眠设置, 睡眠参数设置如下:SM=4, SO=0, SP=03e8, ST=1388。SM=4表示周期睡眠模式;SO=0表示睡眠操作;SP=03e8表示睡眠时间10s (十六进制03e8=十进制1000, 1000*10ms=10s) ;ST=1388表示5s内没有数据收发便进入睡眠状态 (十六进制1388=十进制5000, 5000*1ms=5s) 。E3不进行睡眠设置。

测试一:随机某一时间, 由C在PAN网络中搜寻节点, 能搜到E3, 不能搜到E1, E3可接收到广播数据, E1不能接收任何数据 (原因是E正处于睡眠状态) 。

测试二:C连续发送数据, E1有时可接收到数据, 有时不能接收到数据。

以上实验表明, 模块进入睡眠模式后, 不能够接收到任何数据, 睡眠唤醒后才能接收数据。

(2) 传输距离测试

测试一:两模块间数据传输。C发送, E3接收, 二者35米可视距离, C发送4个字节的有效数据, 返回数据解析表明数据发送成功。继续试验, 若发送6字节的有效数据, 则不能成功发送数据, 由此可断定, XBee模块的传输距离与传输的数据量有直接联系, 数据量越小, 传输距离越远。仍然发送4字节的有效数据, 增加C与E3之间的距离, 二者间距离最大为38米左右。当二者间距离为38米时, 有时能接收到数据, 有时不能接收到数据, 这与天线摆放位置有关系。

测试二:两模块间通过一次路由跳转传输数据。C发送数据, E3接收数据, E1作路由器, 位于C和E3之间, 三者之间无阻挡。经验证, 无论天线如何摆放, 两模块之间的可靠传输距离约30米。实验时, 将路由器E1放置在距离协调器C直线距离30米处, 由C发送给指定目标E3数据, 每次4个字节, E3逐渐远离E1, 在E3距离E1大约28米时, 也就是收发数据的两模块之间间隔58米时, E3不再接收到数据。若增大数据量, 则E3处不能收到数据。

实验表明, 带一次中间路由, 路由的最大距离为28米, 两模块间最大传输距离为58米。要使数据能可靠传输, 路由距离约为25米~28米, 源地址与目标地址间的可靠传输距离约为50米~60米。

测试三:有墙壁阻挡距离测试。C位于室内, 每次发送75个字节的数据, 采用特定目标地址发送, E3于室外接收数据, 两者之间不带路由, 二者之间可靠传输的直线距离大约为13米 (发送十次均成功接收) ;若C采用广播地址发送数据, 每次75字节, E1, E3可靠接收到数据的距离约为5米;若C发送4个字节数据, 那么传输距离为20米以上。

2无线网络监测系统

本文以某矿井下供电网络中高压电缆接头为基本监测单位进行无线网络监测系统建设。整个系统是一个PC与单片机的无线传感网络集散控制系统, 主要由以MSP430为控制核心的监控子站、以PC机为控制核心的监控中心以及无线网络三大部分组成, 其系统结构如图1所示。

2.1监控子站设计

监控子站主要功能是现场数据采集, 对矿井下高压电缆接头状态进行实时监测, 监测信号首先传送到MSP430的模拟量模块, 然后经信号调理电路送到CPU进行数据处理, 处理后的数据通过无线网络传送。

综合考虑耐热性、防水性、精度、灵敏度、安装、性价比等因素, 分别选用GLD200矿用电流传感器、DS18B20数字温度传感器和GUH100矿用湿度传感器作为数据采集设备。为简化设计, 三者均用模拟量输出, 输出信号进入EM231模拟量模块进行A/D转换, 转换后的数字信号按API数据传送格式打包后传送到Zig Bee网络。

2.2监控中心设计

监控中心是整个系统的“大脑”, 一方面用于集中处理各个监测子站的监测数据, 另一方面通过无线网络实现对监测子站的远程控制。监控中心主要由上位机及上位机软件、报警显示设备、打印机等组成, 上位机通过RS485接口与无线网络通信, 上位机软件需要具备接收数据、处理数据、连接设备、运程控制等功能, 本文利用Zig Bee Operator应用软件实现上述功能。

2.3无线网络设计

无线网络位于矿井下, 主要由无线终端、无线路由器及协调器组成。无线终端与监控子站直接相连, 将监控子站采集到的数据传输至协调器, 若无线终端距离协调器较远, 则通过无线路由进行数据跳转;协调器通过有线方式传输到位于地面的PC上位机。

距离协调器较近的监测子站配置成路由器, 即可收发数据也可路由数据, 其他较远的监测子站由于不需要路由数据, 所以配置成无线终端, 以便进入省电模式。

无线网络主要有星形、树形、网状型三种拓扑结构, 网状型结构具有结构稳定、传输可靠、抗干扰能力强等优点, 故本设计以XBee Pro模块为核心构建一个Zig Bee无线网状网络。

2.4系统软件设计

该系统软件设计主要分为数据采集和模块远程配置两大部分。数据采集主要是由监控中心发送检测指令给监测子站, 监测子站将采集的数据通过Zig Bee无线网络传送到监控中心, 其软件流程如图2所示。

模块远程配置主要是在监控中心利用配置软件实现对各节点远程控制和配置, 其传输方向与数据帧的传输方向恰好相反。远程配置作为一种辅助功能, 增强了系统的灵活性, 便于节点的集中管理。例如, 可根据实际情况配置节点的工作模式、睡眠周期以达到低功耗运行目的, 或通过CTS/RTS数据流相关配置, 以期在传输速率、数据流量和传输可靠性之间获得平衡。

3结束语

本文针对矿井高压电缆接头存在的诸多问题, 提出一种基于Zig Bee技术的矿井高压电缆接头状态的无线网络监测系统。通过构建无线网络网状拓扑结构、设置网络节点和无自组网完成通信网络建设, 硬件方面通过电流、温度和湿度传感器数据采集以及MSP430单片机的数据处理, 软件方面通过X-CTU和Zig Bee Operator应用软件实现整个网络的控制和配置, 结合PC上位机数据分析处理, 由此构成一个完整的无线监控网络。通过模拟实验证明了该系统的有效性、实用性和可靠性。

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矿井无线传输系统 篇5

随着国家对煤矿安全生产日益重视, 研究新型技术保证煤矿安全生产成为关注热点。矿井监测系统在采掘巷道采用有线传输方式存在的局限性一是采掘过程中巷道结构不断变化导致线缆同步延伸麻烦、成本高[1], 二是对移动机械设备和一些特殊角落难以布置监测节点实现矿井全方位监测[2]。由于Zig Bee无线通信技术具有低功耗、低成本、应用简单等特点, 本文设计了基于Zig Bee技术的矿井环境监测系统。

2 矿井监测系统总体设计

矿井监测系统的系统结构及在井下布置情况如 (图1) 所示, 它分为井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485总线。因为矿井主巷道服务年限长, 环境较好, 采用有线方式不易损坏且长期不用移动。

采掘巷道采用zigbee无线通信方式, Zigbee采用网型组网方式, 里面有三种类型节点。

(1) 协调节点。协调节点连接到主巷道的RS-485总线接口上, 它负责上位机和Zig Bee网络中未挂接到RS-485总线上的节点之间的数据转发。

(2) 路由节点。路由节点必须依次在巷道里面较为固定位置布置从而保证巷道里面任何位置都有路由节点对无线信号进行路由中转。

(3) 终端节点。终端节点可布置在移动机械设备上, 或布置在一些会随时移动布置位置的特殊位置。

Zigbee节点间传输距离可达10-100m, 如果增大发射功率后可达1-3km以上, 由于zigbee网络采用网型结构可通过路由节点实现信息的多级跳转, 因而能够达到采掘巷道一般网络传输距离不小于10km的要求。

根据现场实际需要, 沿坑道每隔一定距离 (50-500米) 在坑道顶部设置一个Zig Bee节点 (采用电池或其他电源供电) , 环境条件比较好的地方可以距离放得远一点环境条件比较恶劣的地方可以距离放得近一点, 同时在其他需要定位的地方也设置一个Zig Bee节点, 比如巷道拐弯处或者危险区域, 巷道分支处应设置节点。注意保证每个节点在它前面和后面都至少能与两个以上的节点进行通信, 这样当任意1个节点发生故障时, 可跳过这个节点与下1个节点直接通信, 即避免单线联系从而保证Zig Bee网络通信的可靠性。

采掘巷道本身是一个回路, 可以将zigbee网络的两端都连接到RS-485总线上形成一个环形结构, 这样当采掘巷道内某个地方出现塌方等事故时后面的zigbee节点可从另一端将采集数据传输给RS-485总线。

2.2 井上部分

上位机通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上, 采用Lab View软件进行数据接收、存储和显示。

3 监测节点硬件设计

挂接在RS-485总线上的监测节点结构框图如 (图2) 所示, 其它监测节点没有RS-485驱动器模块。

4 矿井监测系统软件设计

4.1 Zig Bee模块设计

本系统所有节点网络类型都设为网状网, 发送模式都设为主从模式, 数据源址输出都设为不输出。

4.2 Modbus协议格式

由于矿井环境监测系统数据传输量较大, 因而本系统通信协议采用Modbus协议的RTU模式。主机发送的查询指令、从机返回的正常响应数据帧和异常响应数据帧格式分别如 (表1、2) 和 (表3) 所示。

查询指令的功能代码为在用户定义区域中自定义的一个, 这里设置为0x60, 表示查询监测节点各端口的监测数据。数据指的是欲查询监测节点的地址。

正常响应数据帧的数据为5路监测数据。

异常响应数据帧的功能代码为在查询指令里的功能代码基础上, 对其最高位置1, 即将0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示异常响应, 因而不需要带监测数据。

4.3 系统通信实现过程

根据监测系统中各节点的功能实现过程可以把这些节点分为三类:第一类是通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上的上位机, 作为主机;第二类是各采掘巷道Zig Bee网络里挂接到RS-485总线上的节点, 作为从机;第三类是各采掘巷道Zig Bee网络里未挂接到RS-485总线上的节点, 作为监测节点, 监测节点包括路由节点和终端节点, 路由节点在进行信息路由时是由Zig Bee模块自动完成的, 不需要STM32参与数据转发, 因而这两种节点的STM32功能实现过程相同。下面是这三类节点的功能实现过程。

(1) 主机。主机采用轮询的方式依次发送查询指令给各监测节点并接收、存储、显示监测数据 (如图3) 。

(2) 从机。从机主要起两个功能, 一个是转发主机的查询指令给对应地址的监测节点, 另一个是转发监测节点的返回数据帧给主机。数据帧的起始和结束为3.5个字符时间, 波特率设为9600, 计算确定该时间可取5ms。从机设定一个变量值time_5ms为定时时间是否到标志, 如果定时5ms到则置1, 否则为0。当定时器定时5ms到了表示一个数据帧接收完成然后执行查询指令, 基于中断处理要短的原则, 在中断处理里将time_5ms置1并停止定时器定时, 将接收数据帧数组指针指到最前面, 将监测环境信息或转发查询指令标志置1, 然后在主程序里循环判断标志位执行相应操作。

(3) 监测节点。监测节点与从机通信不需进行Modbus协议CRC校验 (Zig Bee协议内部已经进行CRC校验了) , 但仍采用其数据帧格式使得从机转发时不需对数据帧处理 (如图4、图5) 。

5 实验测试

实验测试时, Lab View显示界面如 (图6) 所示, 能准确可靠显示监测节点的五路监测数据和历史变化曲线, 证实了该方案可行。

参考文献

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矿井无线传输系统 篇6

矿井地面变电所担负矿井全部供电负荷,属一类负荷,它的正常运转与否直接关系矿井人员的生命安全和煤矿正常生产。温度是考证一次设备正常运行的一个重要参数,设备严重超负荷运行、触点氧化等原因造成压接不紧、压力不够、触头接触部分发生变化、最终导致接触电阻增大,在大电流通过时,温度升高,从而引起设备老化,绝缘下降,严重的还能触发电弧短路,烧坏设备,扩大设备损坏范围,降低设备使用寿命,尤其是隔离刀闸的动、静触头部分更加严重,故障率高,这些都时时刻刻威胁电力设备的安全运行。因此对电力设备接触部位温升故障点的运行状态进行实时追踪监测,可以有效防止此类事故的发生,确保矿井安全供电。

1 电气设备常用检测温度的方法

通常检测电力设备温度的方法分为接触式测量和非接触式测量,具体有以下几种:(1)热像仪或点温仪测温:定期用热像仪或点温仪对设备进行检测,不能实现实时监测和及时告警,会造成设备测温不准的现象发生。(2)光纤有线测温:是用光纤传导的方式进行温度监测,由于光纤要和感温一起紧贴在被测物体表面,而被测物体的表面都是高压部分,这样对光纤的本身和使用的环境要求很严格,光纤本身的绝缘要老化,安装不方便,总之使用光纤有线测温对电力设备的安全运行本身就存在安全隐患。(3)红外线测温:是通过红外线信号接收设备接收来自一次设备上的红外线信号来测量温度,这种方法测量的温度值误差较大,而且受到外界的环境的干扰影响较大。

2 智能无线实时温度在线监测系统原理

智能无线温度在线监测系统是根据电力系统运行的特点对电力设备接触点、刀闸动静触头、电缆头实现温度实时监测。将感温元件紧贴在被测物体的表面,它能真实地反映设备的实时温度,对运行设备没有任何影响。当设备的运行温度超过预设告警温度值时,系统自动告警,避免由于温度升高而引起设备故障,保证供电安全可靠运行。

根椐矿井电力设备分布特点,采用工控机无线温度监测系统,由高频无线温度采集单元、高频无线温度接收单元、数据传输单元、集成后台监控单元等组成,可同时处理600个电气接点温度的实时温度数据(每个温度发射模块具有独立的地址码)。

(1)智能无线温度传感器(温度采集单元)采集变电所开关柜动静触头、开关柜出线母排接点及电缆接头、变压器接头等电气接点温度,并进行处理、保存、发送。(2)接收模块收到温度、校验信息等数据后,通过RS485总线传输到后台监控,发射模块与接收模块采用超高频载波通信,发射与接收模块之间通讯距离最大为100m。(3)接收模块与后台监控通过有线方式连接,最远传输距离为10km。(4)后台监控处理单元将采集数据进行显示、处理、保存等操作,同时还具有无源报警讯号输出,进行报警、预警。

电脑的组网拓朴图如下:

3 智能无线实时温度在线监测系统结构

智能无线温度监测系统在物理上和功能上均采用分层分布式结构,保证了系统组态的灵活性和功能配置方便性。系统整体上分为采集层、收集层、监测层三层采集层与收集层之间采用无线通讯方式,收集层与监测层采用通讯网络线相连。系统还充分考虑了远传调度端,实现远端监测,其通过光纤通讯网PCM将数据传至调度端。

采集层的无线测温装置将感温元件采集到温度通过无线通讯的方式发送给收集层的无线接收管理终端,无线接收管理终端将各无线测温装置温度数据进行数据处理,处理后通过RS485及数据线传给监测层本地计算机,本地计算机同时经过光纤通道网转发给调度端监测计算机,计算机对数据进行管理,并定时存储于数据库,根据用户设置的周期对实时数据库中相应点进行记录,形成历史数据库,能够提供分、时、日曲线显示,报表打印,记录温度越线时间及数值等,发出告警信号。

4 智能无线实时温度在线监测系统功能

电力设备及线路接点温度无线实时监测系统是一个基于超高频无线通信、CAN(或RS485)现场总线、以太网相结合的分层分布式实时监测系统,实现对地面电力设备、电力线路电气接点温度的在线监测。系统功能简介如下:(1)现场通过工控机,采集、监测地面变电所高压系统所有开关柜手车接点、母排接头、主变接头、电缆搭接头温度状况。通过浏览其的显示界面,运行人员可直观方便地观察各个电气接点当前温度数据、历史报警事件记录及其变化曲线等数据信息。(2)系统设置预防报警和事故报警两级报警功能,并可现场设定警戒值,在温度超过预警线时系统发出声、光报警,进行报警提示。(3)通过查询系统的后台电脑,管理人员可直观方便浏览地面电力设备危险温度电子分布图、实时温度值、温度变化曲线,在电子地图界面,值勤人员可快速方便的查找到报警点位置。(4)通过查询系统历史温度记录表及其变化曲线,值班人员可很容易地对本电力线路及设备的所有接点温度进行分析,预测温度变化趋势。(5)报警方式详述:a.预防报警。超过一定的温度值,需要提醒值班人员,此时仍可继续运行;温度上升过快;和室温相差过大,报警输出:报警灯亮,报警接点动作;相间温差过大。b.事故报警。超过一定的温度值或温升速率超过一定值(默认设置为8℃/5min),严重影响到正常操作,报警灯亮,报警接点动作。

5 智能无线实时温度在线监测系统特点

电力设备及线路接点温度无线实时监测系统是基于无线数据采集、现场数据处理、高速实时数据传输的网络系统。具有以下特点:(1)先进性:系统采取无线射频技术,采用接触式的温度采集和无线数据取样,实现绝对的电气隔离。(2)实时性:对变电所开关柜的动静触头、母排接点、变压器电缆接点、电缆沟中的电缆及其接头、架空线路及其接头温度进行实时采样、无线数据传输、现场数据处理,由通信主机上传到数据监控中心。(3)开放性:所有数据传输协议都采用国际标准,采用485总线或CAN总线进行数据通信,为未来系统功能升级、扩充提供了技术基础。(4)易于扩展性:提供相应的数据接口与通信接口,485总线通信采用MODBUS协议,CAN总线采用iCan协议,单位内部采用以太网的TCP/IP通信。(5)可靠性设计:采用军工级要求进行设备的生产与测试,具有防雷、防火、防爆、防潮的特点。

6 结束语

智能无线实时温度监测系统和其它传统电力设备温度检测方法相比,它具有实时、准确、快速等优越性,为及时发现温度异变电气设备,消除故障点,保证变电所安全供电提供了时间保障,在广大电力设备地面变电所有着非常广阔的应用前景。

摘要：介绍了智能无线实时温度在线监测系统的原理、结构、功能、特点。该系统对电力设备接触部位温度进行实时追踪监测,可以有效防止设备超负荷运行引发的电气事故,确保了矿井安全供电。

矿井无线传输系统 篇7

煤矿安全已成为全国工业安全的重中之重, 国内多数煤矿企业都已经或正在进行生产调度、监测监控等信息系统的建设, 这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用。但是这些系统几乎都是基于有线的系统, 在紧急状态下 (比如电力中断、事故等) 如何将安全生产监测监控信息及时、准确地传送到各级相关人员手中, 缺乏有效的手段。

无线传感器技术是目前无线通信领域内研究的一个热点技术, 它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等, 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息, 通过嵌入式系统对信息进行处理, 并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。

笔者提出了一种基于无线传感器网络的矿井应急通信系统的设计方案。该方案利用无线传感器网络和GPRS手机模块、GSM手机模块或者CDMA手机模块等, 在系统电力出现故障时保证系统仍能正常地工作, 极大地提高了紧急情况下的人员搜救能力, 具有较大的现实意义。

1 无线传感器网络技术介绍

所谓传感器网络是由大量部署在一定区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络的节点间距离很短, 一般采用多跳 (multi-hop) 的无线通信方式通信。传感器网络可以在独立的环境下运行, 也可以通过网关连接到互联网, 使用户远程访问。

1.1 无线传感器网络结构

无线传感器网络 (WSN) 由大量的节点根据自组织网络的方式构成, 一般节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过无线自组织传输网络, 以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息, 可以实现对任意地点的信息在任意时间的采集、处理和分析。无线传感器网络结构如图1所示 (虚线表示无线链路, 实线表示有线链路) 。

无线传感器网络节点具有数据采集、处理以及传送等功能, 其结构如图2所示。

1.2 无线传感器网络的特点

(1) 无中心。

WSN没有严格的控制中心, 所有

节点地位平等, 是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络, 任何节点的故障不会影响整个网络的运行, 具有很强的抗毁性。

(2) 自组织。

网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施, 节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为, 节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

(3) 动态拓扑。

WSN是一个动态的网络, 节点可以随处移动;1个节点可能会因为电池能量耗尽或其它故障, 退出网络运行, 也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化, 因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

(4) 节点数量众多, 分布密集。

WSN节点数量大、分布范围广, 难于维护甚至不可维护。所以, 需要解决如何提高无线传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。

(5) 硬件资源有限。

WSN节点采用嵌入式处理器和存储器, 计算能力和存储能力十分有限。所以, 需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。

根据上述分析, 笔者发现无线传感器网络十分适合紧急情况下矿井安全的应急通信。在紧急情况下, 井下一般都会断电, 线路也有可能出现问题, 因此, 无线传感器网络就是一个很好的选择, 再结合具有广泛覆盖范围的移动通信手机模块, 就可以将所需的数据安全可靠地传送到地面中心和有关责任人员的手中。

2 系统方案设计

2.1 基于GSM手机模块的数据传输

手机模块采用TC35, 它由射频天线、内部闪存、GSM基带处理器、匹配电源和1个40脚的Zip插座组成。其中GSM基带处理器是核心部件, 用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。它的外部集成了标准RS232接口、电源接口、模拟音频输入输出接口和SIM卡, 只要将其串口与PC或单片机的串口相连, 就可以用AT命令对它进行设置, 其通信速率为9 600 bps。

目前移动通信的信号几乎实现了无缝覆盖, 因此, 利用其完备的网络进行数据传输就成为应用的热点。笔者采用AT指令进行单片机与手机模块间的通信设置, 选择以数据、文本等格式的短消息通信方式, 这样可随时进行可靠的通信, 并可以节省无线传输的成本和网络维护开支。单片机和手机模块之间的通信原理框图如图3所示。

2.2 系统结构

在该系统中, 首先无线传感器网络用于检测和传输各种数据, 如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、微量一氧化碳 (CO) 、氧气的浓度, 风速, 空气温度, 岩煤温度, 顶板压力, 空气压力, 烟雾和粉尘浓度及工作面的作业条件, 然后在地面GSM系统信号可以覆盖的地方设置一个数据中转终端, 最后由中转终端利用GSM网络将数据传到数据处理中心和安全责任人员的手机上, 以便决策。该系统可实现在井下无线采集和传输数据, 保证在断电等紧急情况下迅速地获得井下的安全参数。基于无线传感器网络的矿井应急通信系统结构如图4所示。

3 结语

本文涉及的矿井应急通信系统是无线传感器网络的一个最简单的应用, 由于无线传感器网络具有定位功能, 因此, 该系统经过进一步扩展就可用于安全救援。每一个井下工作人员携带1个传感器节点, 这样在发生紧急状况时就可以确定人员的井下

位置以及有关的参数, 保证救援行动的顺利进行。总体来说, 无线传感器网络技术和GSM技术的结合应用在矿井等安全系数要求较高的地方有较大的意义, 值得进一步地研究。

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[5]孙利民, 李建中.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.

矿井下无线通信质量的改进 篇8

一、方案硬件设计

1.1传感器模块设计

由于应用在矿井环境中, 无线传感器在保证通信的同时更应该兼顾检测和感知节点周围的温湿度、有害气体浓度, 当这些感知的信息超过预先设置的阈值后, 节点上的报警指示灯可以发出警报告知周围的施工人员, 以及将报警信息传送给网络的协调者进而告知地面上的工作人员矿井中的情况。

选择的传感器包括光照传感器Po188, 温湿度传感器SHT11, 光谱传感器MQ-2。当矿井下工作环境正常时, 传感器会将感知的光照强度、温湿度和有害气体浓度周期性通过无线传感器网络传递给协调者, 协调者通过串口传送给PC机, 进而地面上的工作人员将了解矿井下的工作环境。

1.2增强型发射模块设计

增强型发射模块方法是在CC2530射频输出与射频匹配网络之间加入CC2591芯片。CC2591芯片是德州仪器公司生产的与CC2530芯片相匹配的低功耗、高性能、工作在2.4GHz频率下的RF发射器。CC2591包含了PA、LNA、RF匹配网络和balun。通过内部集成的功率放大器改善了输出功耗, 并且通过LNA降低了噪声, 提高了信噪比。CC2591采用了4x4mm的QFN封装。

相控天线是一个先进的技术, 它包含了控制工程, 信号处理和天线设计。近些年来相控天线被广泛的应用在军事上, 主要针对解决改进信号质量和追踪物体上。相控天线通过改变相位可以容易的改变发射的方已达到是发射信号覆盖指定区域的目的。

无线传感器网络应用在较为苛刻的环境下, 不仅有来自网络以外的噪声干扰和高频信号的干扰, 还有来自无线传感器网络内部的信号串扰等, 但是相控天线能很好的避免这些问题, 传统的无线传感器网络内部的信号串扰等问题是由于每一传感器节点天线的发射信号时电磁波是向四周辐散的是一种全向图且每个节点的发送频率是一样的, 这样不仅会导致节点能源的浪费, 而且, 对周围的其他节点造成干扰。因此在节点间传递信息以及网络初始化的时候所有的节点几乎同时向协调者发送请求加入网络的指令, 会导致节点间的信号串扰比较明显, 特别是网络中几何位置比较近的情况下这种信号串扰就更加明显, 而相控天线的发射信号方向图是定向发射的, 导致网络中只有在同方向的节点才能接受到信号, 不会影响其他支路的传感器节点, 因此有效的减少了信号间的串扰。由于发射模块加入了CC2591芯片使得信号的强度以及功率都比传统的信号得到了提升, 有效地提高了信噪比, 改善了网络中节点的链接质量以及减少了数据丢失导致的数据重发的情况, 因此采用相控天线可以减少数据重发导致的节点消耗不必要的能量, 提高了无线传感器网络的使用寿命。

矿井下节点采用相控天线的部署, 在矿井下的主干道有协调者和S1、S2、S3……等组成了网络节无线传感器网络的第一代子节点, P1、P2、P3、P4、P5、P6组成了无线传感器网络的第二代子节点。S1是P1、P2、的父节点, S2是P3、P4的父节点, S3是P5、P6的父节点。在网络初始化的时候协调者会利用相控天线向同方向的簇首节点发送邀请加入网络的指令, 簇首节点同样会利用相控天线接收到请求加入网络的指令, 并且向协调者发送加入网络的指令。同理, 每一个簇首节点会与从属的节点建立网络链接。S1、S2、S3是网络的簇首节点负责每一个矿井支路中的节点与外界的信息交互以及协调者向子节点传送消息。协调者是整个无线网络的发起者, 并且通过串口和地面上的PC机相连将信息及时的传递给PC机。

二、软件方案实现

2.1协调者软件设计

协调者建立网络, 进行网络初始化, 利用相控天线向同一方向上的簇首节点发送邀请加入网络的指令, 与簇首节点建立无线连接, 完成网络初始化后, 协调者周期性的接受网络中节点上传的传感器感知的数据, 并且将数据通过串口传递给地面上的PC机, 若接收到节点上传的警报信息, 则协调者会将警报信息直接传递给PC机, 同时向节点广播警报信息, 使节点启动报警灯进行示警。

2.2节点软件设计

节点开机后监听网络中协调者发送的邀请节点加入网络的指令, 若没有检测到协调者的相关指令则继续监听。节点接收到协调者发送的邀请节点加入网络的指令后发送加入网络的指令, 实现协调者与节点的握手。网络完成建立后, 节点检测周围的环境信息, 判断所收集到的数据是否超过阈值, 若采集的数据没有超过阈值则启动将数据周期性的上传给协调者;若超过阈值, 则立刻启动自身节点的报警灯进行示警, 同时将警报信息传递给协调者。

三、结论