煤炭工程 ２０１０年第１１期 基于ＷＩＡ和ＧＰＲＳ的无线网络 煤矿安全监测系统设计 汪 勇 ，殷志祥 ，丁 啸 ，范 胜 （１．安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南２３２００１； ２．安徽理工大学理学院，安徽淮南２３２００１） 摘要：通过研究ＷＩＡ和ＧＰＲＳ技术，提出了一种基于ＷＩＡ和ＧＰＲＳ的无线网络矿井安全 监测系统方案。该方案借助ＷＩＡ技术在低功耗无线通信和ＧＰＲＳ网络远程数据传输的优势，利 用系统及ＣＣ２４３１微控制器和ＣＣ１１０１无线射频收发芯片作为ｗＩＡ—ＰＡ无线网络节点，通过监测 各传感器参数的变化，为远程控制提供依据。该方案较传统有线方案，具有功耗低、成本低、可 靠性高等特点。 关键词：ＷＩＡ；工业无线技术；无线传感器网络 中图分类号：ＴＤ７６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７１—０９５９（２０１０）１ｌ－０００８－０３ Ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂａｓｅ ｏｎ ＷＩＡ ａｎｄ ＧＰＲＳ ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ ，ＹＩＮ Ｚｈｉ—ｘｉａｎｇ ，ＤＩＮＧ Ｘｉａｏ ，ＦＡＮ Ｓｈｅｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ＷＩＡ ａｎｄ ＧＰＲＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ａ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｐｌａｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｉｎｅ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ＷＩＡ ａｎｄ ＧＰＲＳ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＷＩＡ ｉｎ ａ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ＧＰＲＳ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｅｍｏｔｅ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ＣＣ２４３ １ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ＣＣ１ １０１ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｒａｄｉｏ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ｃｈｉｐ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ａｓ ｔｈｅ ＷＩＡ—ＰＡ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅｓ． Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｃｈ ｓｅｎｓｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗｉｒｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｐｌａｎ ｗｏｕｌｄ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＷＩＡ；ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ６优化方案适应性分析 ４）回采工作面主运输巷作为工作面进风巷道。 由于受地质条件、开拓方案、回采顺序等多因素影响， ７结语 任何设计或施工方案只能在一定条件下适用。同时，煤矿 生产系统的改造是一个系统工程，只有充分掌握了各 生产是一个系统工程，每一子系统的设计都不是孤立的， 系统的特点、充分利用各系统的优势，才能对某个子系统 必须综合考虑运输、通风、供排水、供电等各生产系统的 进行灵活改造，从而达到整个生产大系统的安全高效运转。 综合影响。 上述优化改造方案的适应性如下： 参考文献： １）近水平煤层，采用单水平或多水平分层开拓。 ［１］ 伊茂森．神东矿区快速建井模式［Ｊ］．煤炭科学技术， ２）井下采用无轨胶轮车运输，运输路线比较灵活。 ２００４，（１０）：１７～１９． ３）采用提前施工设备回撤通道方式回撤综采面设备或 ［２］ 牛瑞芳．神东矿区井下无岩巷布置与矸石处理技术［Ｊ］． 可加大辅运大巷与主运大巷煤柱间距。 陕西煤炭，２００８，（５）：８３—８４． （责任编辑郭继圣） 收稿日期：２０１０—０７—１５ 作者简介：汪勇（１９８５一），男，湖北武汉人，２００６年毕业于江汉大学电子信息工程专业，现主要研究方向为无线传 感器网络、嵌入式系统等。 ８ ２０１０年第１ １期 煤炭 工程 汁算机 服务器 远程查询 近年来我国煤矿安全事故频发，严重威胁了生产安全， 给国家和人民造成了重大损失。其中一个重要的原因就是 井下监控设备不能很好地发挥作用，造成井下生产情况不 能及时有效地传送给地面监控中心…。传统的煤矿安全监 控系统存在布线复杂、监测点相对固定而易出现监测盲区、 通信线路维护成本高等问题。为克服这些缺陷，本文提出 了一种基于ＷＩＡ和ＧＰＲＳ技术的新型无线网络安全监测系 统。该系统不但解决了网络布线困难、成本高等问题，而 且增强了数据传输的实时性和安全性，提高了远距离传输 的能力，实现了对井下环境的实时监控，降低了事故发 生率。 ｌ工业无线网络ｗＩＡ技术 工业无线技术是 一类满足工业应用低能耗、硬实时、 高可靠性等特殊要求的无线传感器网络技术。相比传统的 有线测控系统，工业无线技术的监测和控制系统具有低成 本、高可靠、高灵活、易使用、易维护等优势。 ＷＩＡ标准是我国科研机构于２００７年开始制定的面向工 业过程自动化的无线网络技术标准体系，它和Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＨＡＲＴ是在国际上被同时承认的仅有的两个国际标准。ＷＩＡ 网络共定义了５类物理设备，即主控计算机、网关设备、 路由设备、现场设备和手持设备，它的物理结构如图１ 所示 图１ ＷＩＡ网络的物理构成 ２ 系统总体结构设计 系统总体设计方案结构如图２所示。整个网络系统由 数据采集系统 与ＧＰＲＳ远程数据传输系统构成，数据采 集系统主要由终端设备和ＷＩＡ无线网关组成。ＷＩＡ无线网 关的主要功能是对整个ＷＩＡ网络进行管理和维护，汇集监 测点的数据信息并通过ＧＰＲＳ传送给基站。ＧＰＲＳ远程数据 传输系统的主要功能是建立数据采集系统和控制中心的远 程连接。通过ＧＰＲＳ网络，可以将现场监测点的数据信息 发到工作人员手机上，工作人员可以通过手机短消息与 ＷＡＰ方式查看实时监测信息并进行监控。 点３ 图２矿井无线监测系统总体结构图 ３ ＷＩＡ无限网络节点硬件设计 监控系统中的传感器节点由处理器单元、传感器单元、 无线通信单元、串口通信单元和电源供应单元五部分组成， 体系结构如图３所示。处理器单元负责控制整个节点的操 作，处理和存储采集的数据以及其他节点发送过来的数据； 传感器单元负责信息采集和数据转换；无线通信单元负责 与其它传感器节点进行无线通信；串口通信单元把节点收 集的信息传送给后台监控主机；电源单元为传感器节点提 供运行所需的能量，并保证电压稳定。 传感器 无 元 单元ｒｒ＿ 处理单元 应单元ｒ 电源供 ＣＣ２４３１ 无 图３传感器节点体系结构 ３．１处理器单元 处理器单元是传感器节点的核心，采用ＣＣ２４３１微控制 器 ，它是ＴＩ公司推出的针对ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ Ｚｉｇｂｅｅ的片 上系统，其内部集成了增强型工业标准的８０５１ＭＣＵ内核、 ８ｋＢ ＲＡＭ、１２８ｋＢ Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ和ＣＣ￣２０射频收发器。 ＣＣ￣２０具有完全集成的压控振荡器，只需要晶振、天线等 很少的外围电路元件就可以在２．４ＧＨｚ频段上工作。由于 ＣＣ￣３１能够工作在４种工作模式下，而且工作模式之间的 转换时间较短，因此能满足超低功耗系统的要求。在掉电 模式时只消耗０．９ Ａ，ＲＴＣ或外部中断唤醒系统，符合低 功耗要求。 ３．２无线通信单元 无线收发单元采用Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的ＣＣ１１０１射频芯片。 该芯片功耗低，体积小，具有１．２～５ｏ０ ｋｂｐｓ的可编程控制 数据速率，可工作在四个频段，并且可编程。所有频段均 提供一３０～１０ ｄＢｍ的输出功率，支持ＧＦＳＫ、ＡＳＫ／ＯＯＫ、 ＭＳＫ和ＦＳＫ调制方法。文中ＣＣ１１０１的工作频率是 ４３３ＭＨｚ，调制方式为ＦＳＫ，数据速率是ｌ￣ｋｂｐｓ，信道间隔 ９ 煤炭工程 ２０１０年第１１期 是２００ｋＨｚ。ＣＣ１１００芯片的电路连接如图４所示。 Ｉ７ｐＦ］ 哑２０ｐＦ卫２ｐＦ 卫６ｐＦ 图４ ＣＣＩＩ￣芯片连接图 ３．３传感器单元 传感器单元采用分离式设计方法，即数据处理与收发 核心与传感器分离，数据处理单元可以通过ＵＡＲＴ模式对 数据进行操作。这样，无论哪种传感器，都能方便地连接 到系统中，组成一个统一的整体。 ３．４ 串口通信单元 网络中终端节点不需要串口通信单元，但是在系统调 试阶段还是有一定价值。网络中的路南节点包含串口通信 单元，路由节点的处理单元ＣＣ２４３１通过该单元与后台监控 主机通信，将收集到的网络信息数据传送给后台监控中心， 监控人员根据收集数据的处理结果向传感器网络发布命令。 ３．５ 电源供应单元 整个节点采用两节７号电池供电。采用ＭＡＸ８８８１线性 稳压器，以获得稳定的电压，ＭＡＸ８８８１提供电池反向保护， ２．５～１２Ｖ输入电压范围，１．８Ｖ、２．５Ｖ、３．３Ｖ和５Ｖ固定的 输出电压，在此选择２．５Ｖ作为系统的供电电压。 ４ ＷＩＡ无限网络节点软件设计 采用模块化编程思想，主要使用“协议栈＋板级支持 包＋应用程序＋简易的任务调度器”的形式，如图５所示。 各程序模块通过其问的接口函数通信。任务调度器为每一 个程序模块分配一个任务，并对这三个任务进行调度。 图５软件设计结构图 ４．１协议栈 终端节点仅仅需要加入到相关簇首构建的星型网络中， １０ 并负责将获取的现场数据转发给所在星型网络的簇首。其 网络层不需路由功能，仅需能和簇首点对点通信。其ＭＡＣ 层则可以和路由节点的ＭＡＣ层通用。物理层则主要处理 ＣＣ２４３１的ＲＦ收发器的内部的相关寄存器的配置和操作、 物理层协议数据单元的收发。由于ＣＣ２４３１集成了基于 ＩＥＥＥ８０２．１５．４的ＲＦ收发器，该系统设计在此基础上根据 需要添加功能，实现协议栈。 ４．２板级支持包 对ＣＣ￣３１的内核及必需的外设模块（不包括ＲＦ收发 器）进行硬件抽象，编写统一的接口函数（包括必须的外设 模块初始化函数、访问（读写）函数等）供上层应用程序直 接调用，从而使得应用程序能间接操作外设模块。 ４．３ 应用程序 从用户的角度实现路由节点所需的功能。可直接调用 底层的协议栈的相关函数实现数据的收发、加入（或退出） 星型网络等功能，可直接调用板级支持包的相关函数实现 必要的时间同步功能、工作状态指示功能等。 ４．４任务调度器 通过消息路由机制为以上的三个相互独立的程序模块 提供内存分配与管理、任务调度等简单的功能。从而实现 较高的实时性等要求。 ５结语 针对目前我国煤炭安全生产中监控存在的不足，构造 了一种基于ＷＩＡ和ＧＰＲＳ的无线传感器网络监控系统。该 系统具备ＷＩＡ技术的低成本、高可靠、高灵活、易维护等 优点。运用成熟的ＧＰＲＳ技术，实现了数据的远距离传输， 同时还能以短信或ＷＡＰ方式发送到相关人员的手机上，更 利于对事故的提前发现和及时处理，提高了煤矿开采的安 全性。 参考文献： 景兴鹏，王伟峰，黑磊，等．无线传感器网络在煤矿安全智能 监控系统中的应用［Ｊ］．煤炭技术，２００９，２８（４）：９３～９４． 曾鹏，王军．基于ＷＩＡ技术的油井远程计量与优化控制系 统［Ｊ］．自动化博览，２０１０，（２）：ｌ８～２Ｏ． 刘扬，曾鹏，尚志军，等．基于工业无线网络ＷＩＡ技术的 管道泄漏监测系统［Ｊ］．仪器仪表与标准化计算，２００９， （６）：３２—３３． 王华，刘枫，杨颂华．工业无线网络ＷＩＡ—ＰＡ网络研究与 设计［Ｊ］．自动化与仪表，２００９，（７）：１８—１９． 于海斌，梁炜，曾鹏．工业无线网络技术体系与ＷＩＡ标准 ［Ｊ］．自动化博览，２００９，２６（１）：１７～２Ｏ． 冀翔宇，冯冬芹．低功耗工业无线传感器网络的设计与实现 ［Ｊ］．化工自动化及仪表，２ｏｏ８，３５（４）：４７—５Ｏ． 彭爱平，郭晓松，蔡伟，等．无线传感器网络能理管理研究 ［Ｊ］．传感器与微系统，２００７，２６（８）：１—５． （责任编辑赵巧芝）
