基于WSN的煤矿井下监控网络平台关键技术研究

[摘 要] 我国煤矿资源丰富，但是地质条件极其复杂，在采矿的过程中经常会出现一些安全事故，导致井下人员的伤亡。传感器网络能够对所覆盖的信息进行动态的监控，所以在煤矿井下的生产中使用无线传感器网络能够确保煤矿的安全生产。为此，本文介绍了无线传感器网络监控平台的设计要点，探讨了对网络监控平台的硬件和软件的设计。

[关键词] 煤矿井下； 监测网络； 无线传感器； 振动节点； 技术

随着科学技术的不断进步，对机械设备的要求越来越高。煤矿作为我国的主要能源产业，对于开采煤矿的机械设备要不断的进行改进。为了促进我国煤矿事业的发展，要想取得规模效益，就要对采矿设备的使用要求更加注重。通过无线传感器网络的设计能够对选煤设备的状态进行动态的监测，对系统中的故障进行早期的预测。

一 基于WSN煤矿井下监控网络平台的设计要点

WSN是Wireless Sensor Network的简称，即无线传感器网络。无线传感器网络是由在检测区内很多的微型传感器节点通过无线通信方式组成的集成网络，对于网络所覆盖的地区能够实现信息的感知、采集、处理等形式。

无线传感器网络系统的建立，最主要的影响因素就是在强噪声干扰信号环境下的振动节点，因为振动节点的设计是无线传感器网络建设的基础。基于MEMS无线传感器节点的设计，为选煤设备振动信号的无线检测提供了可操作性的方法。振动节点主要是由MEMS加速度传感器、信号调理电路以及CC2430等模块组成，数据采集单元主要是有加速度传感器、信号调理电路以及ADC转换构成，在CC2430模块上实现了ADC的转换，所以就能够实现数据的采集、传输以及处理等功能。下图为振动节点设计的整体框架图，虚线部分代表了振动节点的内在功能模块，属于CC2430内部的系统信息。

二 基于WSN煤矿井下监控网络平台的硬件设计

硬件设备主要包括是传感器、CC2430模块、外扩展器等组成。系统采用了采用ZigBee技术，符合设计中的IEEE802.15.4使用标准，采用效率高的CMOS设计的同时不需要其他的零件，就可以达到抵抗干扰能力、超低频率的运行模式。在系统运行中的工作频率调为2.4GHzISM频段，使信号能够准确无误的传输。

1）传感器的设计

与传统的传感器相比，利用MEMS加速度传感器不仅功耗低，而且占用设备的面积小，属于一种微型的传感器，具有非常大的实用性。其中的IC结构很方便的集成在电路板上。传感器的节点在选煤厂振动设备上的振动频率大概在16.5HZ，所以在MEMS加速度传感器上的型号上一般选用AdxI105型。在AdxI105的内部上继承了一个多硅表面的微处理器以及信号控制电路，在这种设置的作用下能够实现对开关加速度的测量。AdxI105的最大量程为5g，在运行中所需的电压为2.7―5.25V，所以使用一般的干电池就能够为加速传感器提供电源。

2）CC2430模块

无线节点采用了基于8501内核的CC2430模块，该模块的主要组成包括了ZigBee射频前端、内存以及睡眠定时器等。ZigBee射频前端能够实现无线数据接收的发送，同时在14位的模数转换器上实现了模拟信号的转换。由于有睡眠定时器，系统就能够实现低耗的运行，所以在CC2430模块上实现了无线数据收发，ADC具备睡眠和转换的功能，实现了低功耗和高性能的使用要求。CC2430在常态下的运行只需要0.9毫安的电流损耗，如果在待机的时候电流的损耗更少，达到05毫安以下，所以具有能耗低的使用性能。与其他的单片机相比，CC2430继承了射频前端，所以在系统的运行过程当中就不需要对射频重新设计，具有很好的集成性。

3）外扩存储器

在CC2430模块上包含了8KB静态的RAM，其中具有超低功耗的RAM占据了一半以上。由于无线传感器节点在对设备进行数据的采集时，所需要的数量信息量很大，但是在CC2430自带的存储空间不能够满足振动数据的存储需求，而且在设备的运行当中，需要不停的对数据进行动态的采集，这就需要对数据进行外部的存储。在选择外部存储器上一般选用非易失性铁电存储器，型号为FM25L512，所需要的工作电压为3.0-3.6V，可以承受502KB的存储信息量。这种存储器由于具备高速串行外设接口SPI，能够提高数据的采集速度和存储能力，以总线的速度之星无等待写入操作等功能。同时这种存储器也可以不使用SPI，只通过单片机的普通接口，也同样能够实现以上的功能。

4）低功耗设计

在无线传感器的工作期间最容易受到能量消耗的影响，所以只能设计低功消耗的设计才能延长振动节点的使用寿命，但是在AdxI105加速度传感器上使用的是无休眠的接口，而CC2430上采用了定时休眠的功能，所以在利用节点对振动设备检测时所使用的调度策略为CC2430休眠；当数据通信时，AdxI105传感器休眠。要实现低攻消耗，AdxI105传感器上的供电电压保持在2.4-5.25V之间，所以在实际的运行当中，耗电量就可以从9.5mW减至3.5mW，当数据采集完后，该传感器打开数据的时间大约在700纳秒，加上AD转换的时间在30纳秒左右，所以传感器可以在750纳秒的时间内将存储器上的信息全部读取。如果将采样频率的升至为1000HZ，采集的周期不变，工作的电压变为最低的2.7V，这时候传感器消耗的平均电流就在97.5纳安。如果要实现传感器的低攻消耗，可以将在同一个采样周期内的剩下的时间全部的关闭，就可以实现这种功能。

三 基于WSN煤矿井下监控网络平台的软件设计

在软件方面的设计的无线网络通信系统主要包括无线模块、微控制器模块、存储器等构成。IEEE802.15.4无线通讯模块主要是由射频和基带组成，主要负责信号的无线接收和发送。射频能够在通讯过程中提供接口，基带能够将信号进行处理分组。当接收的信号被传感器处理后，经过A/D的转换暂存于缓存之中，这样就可以将数据保存。如果提取数据可以由IEEE802.15.4无线通讯模块发送到主节点上，就可以进行信息提取、融合等。该模块为无线传感器网络提供了依据，所以软件上的节点主程序流程图如下：

可以及时的上报井下作业的动态数据，并及时的将地面指挥中心下达的相关任务或者通知等传达给井下作业人员，由此不难看出，煤矿井下无线语音通信系统对于确保煤矿生产的安全性发挥着极为关键的作用。从煤矿企业井下作业的现实需求出发，研发出依托于无线公话系统技术、专门用来对于煤矿井下生产安全进行的煤矿井下移动设备进行确保，并且借助该项设备来进行井下移动通讯的开展，运用该设备能够将井下语音通信，人员定位和数据传输等一系列问题进行解决，对于确保煤矿生产的安全性发挥着不容忽视的重要作用。总而言之，随着科技的不断进步，无线传感器网络随之发展起来，无线传感器网络技术是一种具有计算机通信能力的微型传感器节点通过自由组织形成的无线网络。在传感器节点之间的作用下，实现了对周边信息以及监测对象的动态检查，能够实现对选煤设备的状态感知以及故障诊断、预知维修等功能，保证了煤矿井下的安全生产。

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