基于ZigBee與數(shù)傳電臺的礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計及其組網(wǎng)方案_圖文

1、第6期2010年6月工礦自動化Industry and Mine AutomationNo.6J un.2010文章編號:1671-251X (201006-0015-05基于ZigBee 與數(shù)傳電臺的礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計及其組網(wǎng)方案江杰,陳樹樹(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭014010摘要:針對因煤礦井下環(huán)境復(fù)雜造成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法有效地遠(yuǎn)距離傳輸信息的問題,提出了一種基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)傳電臺的礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案,給出了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),介紹了以CC2430為核心的傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計,闡述了適合于礦井環(huán)境的ZigBee 無線傳感器樹形網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案

2、的實現(xiàn)。實際測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)采用ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)傳電臺相結(jié)合的通信方案是切實可行的,有效解決了低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、高可靠性方面的問題;對節(jié)點進行編號的組網(wǎng)規(guī)則使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更具有針對性,提高了節(jié)點的精確定位功能,降低了井下作業(yè)的危險性。關(guān)鍵詞:礦井;環(huán)境檢測;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);ZigBee ;數(shù)傳電臺;節(jié)點;樹形網(wǎng)絡(luò);CC2430中圖分類號:T D655.3文獻標(biāo)識碼:BNode Design and Networking Scheme of Mine Environmental Detection SystemBased on ZigBee and Data Radio S

3、tationJ IAN G Jie ,CH EN Shu 2shu(School of Information Engineering of Inner Mongolia University of Technology ,Baotou 014010,China Abstract :In view of t he problem t hat wireless sensor network can t make remote t ransmission because of co mplex underground sit uation ,t he paper p roposed a desig

4、n scheme of mine environmental detection system based o n ZigBee wireless sensor network and data radio station.It gave general st ruct ure of t he system ,introduced design of sensor node and gateway node which taking CC2430as core ,and expounded implementation of networking scheme of ZigBee wirele

5、ss sensor t ree network.The test result showed t hat t he system uses communication scheme combing wit h ZigBee wireless sensor network and data radio station is feasible ,which solves problems about low power ,remote transmission and high reliability ,and networking rule of node numbering makes top

6、ology of network has pertinence ,which improves accurate po sition f unction of node and reduces risk of underground operation.K ey w ords :mine ,environmental detection ,wireless sensor network ,ZigBee ,data radio station ,node ,t ree network ,CC2430收稿日期:2010-02-05基金項目:內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(20080404MS0703

7、作者簡介:江杰(1958-,內(nèi)蒙古包頭人,教授工程師,主要從事網(wǎng)絡(luò)控制與智能儀表裝置方面的教學(xué)與科研工作。E 2mail :0引言在礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)中,為了避免因礦井結(jié)構(gòu)的變化使通信線路的延伸和維護變得困難,用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)已成為解決方案之一。但由于井下環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測點較多,通信及組網(wǎng)困難,尤其是隨著采掘的不斷深入,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法進行有效的遠(yuǎn)距離傳輸以及GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r問題,使采掘設(shè)備與人員不能及時地與地面監(jiān)控中心取得聯(lián)系,增加了作業(yè)的危險性。一般可采用以下幾種通信方案解決上述問題:(1采用傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點直接傳輸,該方案會因傳輸距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致通信可靠性嚴(yán)重降低;(2

8、縮短網(wǎng)關(guān)節(jié)點與監(jiān)控中心之間的距離,在匯聚節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點間增加中繼節(jié)點,該方案增加了系統(tǒng)成本且存在丟包現(xiàn)象;(3采用傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點與GPRS 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式,該方案解決了遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴},但后期營運成本較高且網(wǎng)絡(luò)延時較嚴(yán)重;(4采用傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點與數(shù)傳電臺相結(jié)合的方式,該方案可實現(xiàn)實時可靠的遠(yuǎn)距離傳輸且成本較低。通過比較,筆者選擇第四種通信方案設(shè)計了一種基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)傳電臺的礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)。本文主要介紹該系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)計及組網(wǎng)方案。1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及要求基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)傳電臺的礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成,如圖1所示。沿巷道每隔2

9、00m 設(shè)置1個傳感器節(jié)點,實時獲得井下環(huán)境的瓦斯?jié)舛?、壓力及溫濕度等?shù)據(jù)信息并將處理后的信息傳到匯聚節(jié)點進行數(shù)據(jù)整理,匯聚節(jié)點通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以幀的形式傳送至位于礦井入口的網(wǎng)關(guān)節(jié)點,網(wǎng)關(guān)節(jié)點將數(shù)據(jù)進一步融合后通過數(shù)傳電臺發(fā)送到監(jiān)控中心 。圖1基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)傳電臺的礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在布置現(xiàn)場ZigBee 節(jié)點的位置時,應(yīng)滿足每個節(jié)點至少可與2個以上的節(jié)點通信,以保證通信的可靠性。此外,為了避免由于瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)施較固定而造成的瓦斯探頭不能隨著采掘進度跟進到位所導(dǎo)致的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)盲區(qū)的問題,在礦工和掘進設(shè)備上安裝傳感器節(jié)點作為移動節(jié)點,移動節(jié)點將采集的信息通

10、過固定的ZigBee 節(jié)點送到監(jiān)控中心。2節(jié)點設(shè)計2.1傳感器節(jié)點的設(shè)計傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成。其中無線通信模塊采用Chipcon 公司生產(chǎn)的符合ZigBee 技術(shù)的2.4GHz 射頻芯片CC2430。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器,使用1個8位MCU (8051,具有32/64/128K B 的可編程內(nèi)存和8K B 的RAM ,還包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時器、A ES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32k Hz 晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路,以及21個可編程I/O 引腳。瓦斯傳感器選用中國船舶

11、重工集團公司第718研究所生產(chǎn)的L XK -3催化元件,它是一種廣譜性的氣敏元件,適用于天然氣、液化石油氣和城市煤氣等多種可燃?xì)怏w的檢測和報警。溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對濕度和溫度傳感器SH T11,它具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全交換的特點。壓力傳感器選用Intersema 公司生產(chǎn)的MPX2100,它是一款集成壓阻式壓力傳感器,具有ADC 接口和SMD 混合集成電路。由于L XK -3輸出的差模信號量比較小,其差線DIN 、DOU T 、串行時鐘線SCL K 分別接CC2430的I/O 端口P1.6、P1.5、P1.4;CC243

12、0的工作電壓為33.3V ,采用電壓轉(zhuǎn)換模塊MAX1724將電壓從5V 降低到3.3V 左右。圖2為瓦斯傳感器節(jié)點的電路。2.2網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計與傳感器節(jié)點相比,網(wǎng)關(guān)節(jié)點要將來自各匯聚節(jié)點的信息進行校正、融合等處理后通過數(shù)傳電臺發(fā)給監(jiān)控中心,因此,網(wǎng)關(guān)節(jié)點要具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和運行速度。由于CC2430內(nèi)嵌的8051控制器不能滿足要求,選用具有豐富片上資源的61工礦自動化2010年6月圖2瓦斯傳感器節(jié)點的電路A RM9微處理器S3C2410。T TL與RS232電平轉(zhuǎn)換選用MA X3316,可直接操作CC2430的串行數(shù)據(jù)線和控制線。數(shù)傳電臺選用美國MDS公司生產(chǎn)的MDSEL705,它是MD

13、S公司專門為中國開發(fā)的點對多點SCADA專網(wǎng)及其它遙測、遙信、遙控系統(tǒng)設(shè)計的高性能、高可靠性、低價位的無線傳輸電臺。該電臺類型為頻率合成式,半雙工通信方式,信道間隔為12.5k Hz,同頻或異頻傳輸;數(shù)據(jù)接口采用RS232,與CC2430的連接用DB-25針插頭,數(shù)據(jù)設(shè)備采用D TE配置。3ZigB ee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案3.1傳感器節(jié)點的編號規(guī)則本系統(tǒng)采用節(jié)點編號方式進行節(jié)點定位,即從編號反映節(jié)點所處的地理空間位置。編號規(guī)則如下:(1節(jié)點編號的第一位用大寫英文字母A、B、C、D、E來表示,代表不同的礦區(qū)編號。(2節(jié)點編號的第二位、第三位、第四位均用數(shù)字1、2、3、4、5表示,分別代表一

14、個礦區(qū)中不同的礦井編號;處于同一個礦區(qū)、同一個礦井中不同的巷道編號;處于同一個礦區(qū)、同一個礦井、同一個的巷道中的節(jié)點所在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的層數(shù)。(3節(jié)點編號的第五位用數(shù)字09表示,代表處于同一個礦區(qū)、同一個礦井、同一個巷道中的節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第幾層的第幾個,這一位可以根據(jù)節(jié)點的數(shù)量和容量的不同采用不同的位數(shù),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點的數(shù)量越多位數(shù)也越多。(4節(jié)點編號的第六位用大寫字母W、S、L表示,代表在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不同節(jié)點所檢測的不同參數(shù),分別代表瓦斯檢測節(jié)點、水文檢測節(jié)點和巷壁壓力檢測節(jié)點。例如,一個傳感器節(jié)點的編號為A31206W,代表的意思:A礦區(qū)中的第三號礦井中的第一號巷道中的瓦斯檢測節(jié)點

15、,這一節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械诙拥牡诹柟?jié)點。3.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的分層及布點構(gòu)建原則根據(jù)煤礦井下巷道的環(huán)境狀況和地質(zhì)結(jié)構(gòu),筆者按照巷道深度的不同將巷道中的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為5層,并且隨著井下巷道距地面水平線位置垂直深度的增加,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也逐層增加,即層數(shù)編號越大巷道的深度也越深。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的層數(shù)編號分別用1、2、3、4、5表示,712010年第6期江杰等:基于ZigBee與數(shù)傳電臺的礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計及其組網(wǎng)方案 代表15層。本文所采用的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建原則:(1由于瓦斯?jié)舛鹊臋z測是眾多檢測數(shù)據(jù)中的重點,所以在每一層中檢測瓦斯?jié)舛鹊膫鞲衅鞴?jié)點較檢測巷壁壓力和

16、水文的傳感器節(jié)點數(shù)量居多 。圖3ZigBee 無線傳感器樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總?cè)萘渴?00個各類節(jié)點。每一層的節(jié)點容量隨著巷道深度以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的層數(shù)的增加而增加。具體容量:第一層為10個節(jié)點,第二層和第三層均為20個節(jié)點,第四層和第五層均為25個節(jié)點。(3移動節(jié)點的加入。(4在實際的巷道環(huán)境中,節(jié)點間距在無阻擋物的情況下設(shè)定為200m 左右,反之,采用多個節(jié)點接力傳遞的方式。(5為了避免由于匯聚節(jié)點失效而造成多個節(jié)點的數(shù)據(jù)不能發(fā)送或丟失,從而影響整個網(wǎng)絡(luò)及瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性,筆者在關(guān)鍵的匯聚節(jié)點周圍布置了備用節(jié)點。按照上述原則構(gòu)建的適合煤礦井下瓦斯監(jiān)測的ZigBee

17、無線傳感器樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3給出了虛擬的信通連接,實線表示固定節(jié)點間的虛擬連接信道,虛線表示移動節(jié)點和固定節(jié)點間的虛擬信道連接。3.3節(jié)點間所傳送的數(shù)據(jù)信息在ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要的信息是各個測量節(jié)點所傳送的測量信息,這是整個瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。每個節(jié)點的信息包中包含以下內(nèi)容:(1起始幀,其和結(jié)束幀均屬于標(biāo)準(zhǔn)字段,為一個8bit 的列,具有幀同步作用,為了避免幀中其它字段也出現(xiàn)和標(biāo)志字段相同的比特組合,筆者采用“零bit 填充技術(shù)”,即標(biāo)志字段的構(gòu)成為“01111110”,確保其它字段不出現(xiàn)這樣的組合即可,具體做法:在發(fā)送端,硬件掃描發(fā)送幀,發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1,則填入1

18、個0;在接收端,分離出數(shù)據(jù)部分后用硬件掃描,每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時刪掉其后的1個0,還原成原始比特流;(2節(jié)點的編號,映射節(jié)點的相關(guān)信息,如地理位置;(3節(jié)點的檢測類型;(4具體測量值;(5節(jié)點的生命值,該值標(biāo)志節(jié)點的能量狀況;(6節(jié)點的路由信息,包含了節(jié)點的路由路徑;(7報警信息,若節(jié)點測量的數(shù)據(jù)參數(shù)達到報警限值則產(chǎn)生報警信息通知監(jiān)控中心及其它節(jié)點;(8結(jié)束幀,標(biāo)志信息結(jié)束。具體的信息包結(jié)構(gòu)如圖4所示 。圖4信息包結(jié)構(gòu)3.4樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議在ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚伤惴槟康牡刂诽峁┖唵味煽康穆酚伞Ｔ撍惴ú捎镁W(wǎng)絡(luò)地址分配機制,節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址計算下一

19、跳節(jié)點地址。樹形網(wǎng)絡(luò)中全功能匯聚節(jié)點可成為父節(jié)點,普通節(jié)點只能作為子節(jié)點。樹形網(wǎng)絡(luò)采用一種等級樹路由機制,包括樹地址分配和樹路由2個部分。樹,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點允許一個新節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡(luò)時,它們之間就形成父子關(guān)系,每個進入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都會得到父節(jié)點為其分配的在該網(wǎng)絡(luò)中的唯一網(wǎng)絡(luò)地址。如果子節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)包到其它節(jié)點,則將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給其父節(jié)點,由父節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械木W(wǎng)絡(luò)地址由全功能節(jié)點自81工礦自動化2010年6月主分配。例如,在A11巷道的第一層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的第一個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址是1.01,那么,第二個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址就是1.02,各層的各個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址以此類推。節(jié)點儲存的路由信息表的

20、內(nèi)容有本身的網(wǎng)絡(luò)地址、目的地址、下一跳的網(wǎng)絡(luò)地址,其中,下一跳的網(wǎng)絡(luò)地址是和本節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中有通信信道鏈接的節(jié)點地址,啟動路由算法是各個節(jié)點以下一跳網(wǎng)絡(luò)地址為基礎(chǔ),按照不同的路由算法來選擇符合的下一條網(wǎng)絡(luò)地址,以此來達到信息傳送的目的。4檢測信號總體流向本系統(tǒng)最終目的就是將系統(tǒng)節(jié)點所檢測到的數(shù)據(jù)信息在第一時間內(nèi)準(zhǔn)確地傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及監(jiān)控中心,其節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸流向如圖5所示。5結(jié)語實際測試表明,介紹的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)傳電臺的礦井環(huán)境檢測系統(tǒng)是切實可行的,有效解決了低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸、高可靠性方面的問題;對節(jié)點進行編號的組網(wǎng)規(guī)則使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)圖5系統(tǒng)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸流向構(gòu)更具有針對性,在礦井這樣的特殊環(huán)境下充分發(fā)揮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢,提高了節(jié)點的精確定位功能,降低了作業(yè)危險性。參考文獻:1孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M.北京:清華大學(xué)出版社,2005:3215.2鄭增威,吳朝暉.若干無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議比較研究J.計算機工程與設(shè)計,