原创无线传感网络的集成应用----煤矿监测系统开发

 2012-7-18 14:16  1062 13 13 分类: EDA/ IP/ 设计与制造

　我国作为世界产煤大国，煤矿产量占世界35％。但我国同时也是矿难大国，因矿难的死亡人数竟占世界的80％，煤矿百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30倍。这其中大多是因为瓦斯爆炸引起的，严重威胁着矿工的生命安全。因此煤矿都需要建立完善的自动监测、预警系统，对矿井中的瓦斯、一氧化碳等易燃易爆气体含量以及温度、湿度等重要参数及时掌握，保证工作环境的安全。

　　目前传统的管理方式基本都是靠工作人员实地观测并通过对讲机等通讯设施，人工向监控中心汇报情况，安全性和实时性都较差，还可能造成无法发现、漏报、迟报等危险。因此基于各种网络的自动监测系统成为了煤矿安全生产发展的方向。

　　国内目前在矿区使用的较成熟的监测系统，大多采用有线方式，如KJF2000、KJ4／KJ2000等系统。但有线系统存在着布线麻烦、设备无法随意移动、难以进行人员跟踪定位等缺点。因此基于无线传感网络的无线监测系统成为了目前研究和应用的重点，但这些系统大多处于研究阶段，相关现场设备大多是自主研发的样机，可靠性和实用性不高，而且往往功能单一。

　　本文通过对成熟的无线传感网络设备和各种现场传感器的集成应用，实现对煤矿作业现场的温湿度、瓦斯浓度以及人员定位等重要信息的实时监测，具有系统开发难度低、可靠性高、功能全面等特点。

　　1 无线传感网络及设备

　　随着计算机、通信和网络技术的飞速发展，无线传感网络应运而生。工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的，具有低成本、低功耗、高度灵活性、扩展性强等特点，已经成为继现场总线技术后的又一个研究热点，文献对于工业无线网络的现状和发展趋势进行了研究和对比。考虑到Zigbee技术应用的广泛性和成熟性，因此该项目采用Disi公司基于Zigbee协议的工业用ConnectPort X网关及XBee ZB适配器产品。

　　1．1 Zigbee无线传感网络通信协议

　　Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术，由IEEE 802．15．4和Zigbee联盟共同制定。Zi gbee技术广泛应用于各种短距低速的场合，如医疗护理、汽车自动化、农业自动化和遥测遥控等。Zigbee的网络设备通常分为三类：中心协调器(PAN Coordinatox)、路由器(Router)和终端节点(End Device)。其中前两类具有路由功能，可组成全Mesh网络拓扑结构。而终端节点不具有路由功能，只能与中心协调器或路由器单跳连接，组成星型网络。终端节点的优势是可以进入休眠模式，以降低功耗。由这三类设备可组成各种不同的网络拓扑结构，如图1所示。

上述节选自《基于无线传感网络的煤矿综合监测系统》

无线龙电子有限公司是国内无线开发工具方面最具规模、最有影响力、产品系列最全面的专业嵌入式无线开发工具提供商，目前的技术/产品包括各种无线单片机开发系统，无线数传模块，无线传感器模块，无线网络系统，无线定位系统，无线传感器网络系统等等。

技术咨询：0755-83690635-607

我们设计了实用的ZigBee无线网络定位专业开发系统C51RF-CC2431。

实现定位精度3m，0.25m的定位分辨率。在煤矿井下人员定位系统、监狱人员管理系统、集装箱运输跟踪系统、长距离RFID系统、车辆管理系统、人员管理系统、运动会运动员的计时计圈系统、城市公交智能站台、车辆调度的智能管理系统、列车/车厢自动抄号、调度管理系统、小区门禁系统等方面有广泛应用前景。

该系统以3-12个参考节点，构成一个最大区域为64X64米的无线定位网(以井下定位系统为例子：是将参考节点布置在巷道两侧，构成一个无线定位网络)。参考节点之间，通过802.15.4/ZigBee无线通讯标准，保持无线联系，通过上位机软件可以实现对全部参考节点的无线参数配置。

对井下无线定位系统而言，移动节点(CC2431芯片为核心)就是戴在矿工头上的矿帽(用电池供电的RFID卡片)进入监控网络内部时，移动节点就会自动被准确定位，并将定位信息和移动节点ID等信息，实时无线发送给上位机。

产品图片：

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功能特点：

采用该系统实现的无线实时定位网络与目前国内已经广泛采用NRF2401等无线芯片为核心的定位系统相比较(这样的系统已经广泛应用于井下监控系统)，有以下的显著优点：

1)采用ZigBee2006网状网络，可靠性大幅度提高，并可以实现多个定位网络见的高可靠通讯。

2)完善的ZigBee网络防冲突机制，可以实现几十/几百/几千节点同时无线实时定位。

3)移动节点将自动计算自己的精确位置，显示监控单元，可以使用任何PC，PDA 和其他移动终端等设备和任何高级单片机系统。

4)非常高的实时定位精度。

无线龙通讯推出的这套无线定位系统的主要功能是:

(A)兼容CHIPCON/TI CC2431ZDK高级无线定位开发平台

采用3-12个参考节点布网和一个无线网络协议分析仪连接PC，运行CHIPCON上位机无线定位软件，可以设置修改自己的地图，并通过PC机GUI界面，直观实时显示全部移动节点和参考节点，并对移动和参考节点主要网络参数进行无线设定。

(B)参考节点串口直接输出实时坐标，方便任何用户二次开发

C51RF-CC2431-ZDK可以采用系统包含成都无线龙提供C51RF-3-PK(ZigBee开发系统)的扩展板作为串口网关，无须网络协议分析仪，直接对定位网络进行实时监控，并实现了从串口输出全部实时定位信息和参考节点信息。这样，用户可以方便的使用任何上位机和其他任何微处理器连接无线龙网关，方便的开发自己的各种无线定位系统。如图所示。

(C)多种GUI实时定位监控软件支持

C51RF-CC2431-ZDK可以使用TI 免费下载的各种图形软件显示定位系统工作状态，也可以使用无线龙通讯还自主开发了无线定位上位机监控软件，GUI图像无线定位监视软件，同时提供客户API，方便客户自主开发，还可以使用其它第三方兼容定位软件。

(D) 提供全面的附加服务和全面技术支持

采用ZigBee2006协议栈构建网状网络实时定位系统，是一个全新、很具有挑战性的工作，无线龙作为这个行业的先锋，具有很强的技术能够协助用户需要，包括：设计无线节点的新功能(包括附加各种传感器)或开发无线网络监控、遥控、多个无线定位网络间的ZigBee无线网络通讯等，无线龙通讯将全面提供这些服务。代客户设计、开发。