基于云計(jì)算的礦井無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)火情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

陳 勇， 徐 釗， 張 雪

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學(xué) 研究生院，江蘇 南京 211100）

礦井里面由于存在大量的煤氣等易燃易爆氣體，很容易發(fā)生火災(zāi)，一旦礦井中發(fā)生火災(zāi)，往往伴隨著爆炸和塌方，會(huì)給礦工的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大的威脅，會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)巨大的損失。

人們想了很多辦法來(lái)監(jiān)控礦井下的情況，目前人們普遍采用的是利用電纜來(lái)鋪設(shè)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，但是由于礦井里面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有的監(jiān)控方法和系統(tǒng)存在安裝不便、維護(hù)不便的問(wèn)題，并且監(jiān)控系統(tǒng)容易損壞，維修起來(lái)非常困難。筆者針對(duì)礦井的實(shí)際需求，應(yīng)用了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并且結(jié)合了云計(jì)算設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)礦井內(nèi)火情進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)[1-2]。

1 系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)

一種基于云計(jì)算的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)火情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由包括通訊基站、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算平臺(tái)，主要經(jīng)由無(wú)線傳感采集礦井內(nèi)部的溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)，然后通過(guò)通訊基站將數(shù)據(jù)發(fā)送到云計(jì)算平臺(tái)，在云計(jì)算平臺(tái)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，礦井專家系統(tǒng)對(duì)接到云計(jì)算平臺(tái)后分析數(shù)據(jù)，然后將信息反饋給礦井管理中心，最后管理中心再根據(jù)所得到的信息使用執(zhí)行器實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)礦井內(nèi)部的溫度以及一氧化碳量，以保證礦井的安全[3]。

圖1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)火情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體Fig.1 Whole system of wireless sensor network fire remote monitoring

監(jiān)控系統(tǒng)是基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的，無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)包括礦井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)、礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)、礦井無(wú)線網(wǎng)關(guān)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)礦井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)和礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其他礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)和礦井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，以及礦井無(wú)線網(wǎng)關(guān)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)能自由退出和加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。多個(gè)礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)與礦井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)狀Mesh網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)為Mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)，當(dāng)?shù)V井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)離礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)太遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)線通信距離時(shí)，可逐級(jí)多跳通過(guò)其他礦井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)與礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，或者當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)自動(dòng)通過(guò)其他礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)通信，礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)能自由加入和退出無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的自組織和自恢復(fù)。路由節(jié)點(diǎn)會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云計(jì)算平臺(tái)，在云計(jì)算平臺(tái)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，礦井專家系統(tǒng)對(duì)接到云計(jì)算平臺(tái)后分析數(shù)據(jù)然后反饋信息給礦井管理中心。白色圓點(diǎn)為礦井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，黑點(diǎn)圓點(diǎn)為礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)，方形點(diǎn)為礦井無(wú)線網(wǎng)關(guān)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)。具體而言，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)火情無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)（無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)）為礦井網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

一種基于云計(jì)算的礦井無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)火情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[4]，包括通訊基站、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算平臺(tái)，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)通訊基站與云計(jì)算平臺(tái)相連接，該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括用于采集煤礦安全數(shù)據(jù)的無(wú)線傳感器、執(zhí)行器和用于傳輸煤礦安全數(shù)據(jù)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)，所述無(wú)線傳感器、執(zhí)行器和無(wú)線網(wǎng)關(guān)相連接。

所述無(wú)線傳感器包括無(wú)線一氧化碳傳感器、無(wú)線風(fēng)壓傳感器和無(wú)線溫度傳感器；執(zhí)行器包括溫度控制器和一氧化碳控制器。

所述無(wú)線一氧化碳傳感器包括一氧化碳傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器，其中一氧化碳傳感器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器均與msp430微處理器相連接。

所述無(wú)線風(fēng)壓傳感器包括風(fēng)壓傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器，其中風(fēng)壓傳感器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器均與msp430微處理器相連接。

所述無(wú)線溫度傳感器包括溫度傳感器、msp430微處理器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器，其中溫度傳感器、CC2530射頻模塊收發(fā)器和RS232收發(fā)器均與msp430微處理器相連接。

溫度傳感器、一氧化碳傳感器與無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)接，采集礦井環(huán)境內(nèi)的溫度和一氧化碳，然后經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)的調(diào)度通過(guò)CC2530模塊將礦井環(huán)境內(nèi)的溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線傳感路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后又轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線傳感網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳感網(wǎng)關(guān)經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感操作系統(tǒng)的調(diào)度通過(guò)CC2530射頻模塊接收數(shù)據(jù)并得到溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入到因特網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到云計(jì)算平臺(tái)，專家系統(tǒng)登陸云計(jì)算平臺(tái)后取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)并判斷否則要調(diào)節(jié)溫度，如果需要?jiǎng)t控制溫度和一氧化碳控制執(zhí)行器對(duì)礦井溫度和一氧化碳進(jìn)行調(diào)節(jié)。

如圖2所示是礦井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)硬件原理圖，主微處理器為msp430單片機(jī)，同時(shí)接入CC2530射頻模塊無(wú)線收發(fā)模塊，溫度和一氧化碳傳感器接入msp430單片機(jī)中，負(fù)責(zé)采集礦井室內(nèi)的溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)msp430的AD轉(zhuǎn)化通過(guò)CC2530射頻模塊無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給礦井無(wú)線傳感路由節(jié)點(diǎn)。

圖2 礦井無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)硬件原理圖Fig.2 Mine wireless sensor node hardware principle diagram

如圖3所述是礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)硬件原理圖[5]，主微處理器為S3C2410，同時(shí)接CC2530射頻無(wú)線收發(fā)模塊，接入網(wǎng)卡通過(guò)因特網(wǎng)接入云計(jì)算平臺(tái)，同時(shí)處理器還通過(guò)IO口接入光耦和固態(tài)繼電器控制器對(duì)溫度和一氧化碳進(jìn)行控制。首先通過(guò)CC2530射頻無(wú)線收發(fā)模塊接收無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的溫度和一氧化碳數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)卡傳送至云計(jì)算平臺(tái)，專家系統(tǒng)接入到云計(jì)算平臺(tái)上分析礦井溫度數(shù)據(jù)作出判斷如何控制溫度和一氧化碳控制器，將判斷結(jié)果發(fā)送到微處理器S3C2410，微處理器根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)溫度控制器進(jìn)行相應(yīng)控制。

圖3 礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)硬件原理圖Fig.3 Mine wireless routing node hardware principle diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖4所述是礦井無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)初始化流程圖[6]，軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程：系統(tǒng)在軟硬件初始化后開(kāi)始建立新的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)各信道進(jìn)行能量掃描，選擇一個(gè)空閑信道；找到合適的通道后，為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符從而建立新的傳感器網(wǎng)絡(luò)，并允許礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)加入，同時(shí)路由總節(jié)點(diǎn)和云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)循環(huán)對(duì)接；掃描是否新的無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，如有且確認(rèn)是礦井無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)，則允許其加入并分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1）本系統(tǒng)借助無(wú)線傳感操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度功能，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)很好在礦井環(huán)境中得到了應(yīng)用，同時(shí)將環(huán)境的數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳送到云計(jì)算平臺(tái)，從而便于與各種礦井專家系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，避免了傳統(tǒng)的礦井電纜布線監(jiān)控和本地?cái)?shù)據(jù)分析的局限性；2）本系統(tǒng)具備低成本、自組織、系統(tǒng)功耗低、信息交互方便等特點(diǎn)。

[1]史麗娟，包亞萍，田峰.基于GPRS和ZigBee的礦井無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2010（29）：43-46.SHI Li-juan，BAO Ya-ping，TIAN Feng.A design of mine wireless monitoring system based on GPRS and ZigBee[J].Coal Technology，2010（29）:43-46.

[2]黃建宇，張啟升.基于LABVIEW的多傳感器火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2010（7）：9-11.HUANG Jian-yu，ZHANG Qi-sheng.Animplementation of multi-sensor fire remote monitoring and alarming system based on Labview[J].Science&Technology Information，2010（7）：9-11.

[3]王繼水，曹帥.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山環(huán)境在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（2）：342-344.WANG Ji-shui，CAO Shuai. System’s research and implementation of mine environment real-time online monitoring based on M2M[J].Computer Measwrement&Control，2012，20（2）：342-344.

[4]程文波，王華軍.礦井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法研究[J].金屬礦山，2012（3）：107-109.CHENG Wen-bo，WANG Hua-jun.Research of wireless sensor network construction method for mine[J].Metal Mine，2012（3）：107-109.

[5]周福恩，劉鵬.一種用于礦井安全的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].煤炭技術(shù)，2011（9）：103-105.ZHOU Fu-en，LIU Peng.A wireless remote for mine safety monitoring system[J].Coal Technology，2011（9）：103-105.

[6]孫寧，劉欣慰，趙印.基于融合算法的火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，20087（7）：54-55.SUN Ning，LIU Xin-wei，ZHAO Yin.A design for fire remote monitoring and alarming system based on fusion algorithm[J].Software Guide，2008，7（7）：54-55.