基于ZigBee 与GPRS 的煤矿环境远程监测系统设计

杨文环 孙久运 王阔音

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116)

我国矿山地质条件复杂、生产体系庞大、采掘环境多变，应用物联网技术进行实时监测［1-5］，对于避免或降低矿山各类环境地质灾害所造成的损失具有重要作用。无线传感器网络作为一种典型的物联网技术，在矿山环境监测领域得到了广泛的应用，涌现出一批具有较强实用价值的监测网络［6-11］，但其中的网络协调器节点与上位机通信通常采用USB 接口、RS232 串口等有线通信方式，传输距离有限。为此，在本研究所开发的煤矿环境远程监测系统中，根据节点实际功耗，采用太阳能电池板、蓄电池及干电池相结合的供电方式，解决了节点能量受限问题，克服了传统监测布线困难、动态性差、覆盖范围有限等缺点。同时结合GPRS 模块［12-13］，仅需插入1 张SIM 卡，利用移动通信网络可将煤矿监测数据传输至上位机监控中心，实现了对煤矿环境的自动、实时、低成本、远距离监测，对于提高煤矿的信息化水平大有裨益。

1 ZigBee 无线传感器网络

1.1 无线传感器网络

无线传感器网络技术是指将传感器技术、自动控制技术、数据网络传输、储存、处理与分析技术集成的现代信息技术，是物联网底层网络的一种重要技术形式［14-16］。无线传感器网络是以数据为中心的网络，仅关心最终数据的获取，并不关心数据的来源与途径，其网络拓扑动态性高，节点路由路径连通性好，数据传输可靠，网络中的节点通常结构简单、功耗较低且布设密集。无线传感器网络无需电源和数据线，节点布设受地质环境约束较小，可扩展性高，增减数据点较为容易。典型的无线传感器网络体系结构如图1 所示，按照某种规则在监测区域中感知对象的内部或附近布设一定数量的传感器节点，该类节点自动组成无线网络，通过相互协作可实时感测和处理监测区域中的相关信息，并将采集到的数据直接或通过多跳中继方式发送至Sink 节点，最后由Sink 节点借助GPRS 远程数据传输技术将数据传送至远程数据库进行处理。

图1 无线传感器网络体系结构Fig.1 Structure of wireless sensor networks

1.2 ZigBee 技术

ZigBee 技术是一种基于IEEE802.15.4 无线标准开发的无线组网技术［17］，主要工作于2.4 G 与868/915 MHz 等免费频段上，其传输距离主要受信道环境和输出功率的影响，通常为10 ～75 m。ZigBee作为一种低速短距离传输的无线网络协议，其网络拓扑主要有星形、树形和网状等3 种形式，网络中节点的寻址方式主要有16 bit 的本地地址和64 bit 的IEEE 地址2 种。网络由上至下可分为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层和应用层，各层之间相对独立，便于设计与调试。

ZigBee 技术将网络中的节点从功能完整性上分为2 类:①全功能设备(fully function device，FFD)，既可以作为网络协调器，具有协调网络的功能，也可以充当普通的传感器节点，可与网络中的其他任何设备进行通讯，通常拥有相对较大的存储空间与较强的处理能力;②简化功能设备(reduced function device，RFD)，仅作为传感器节点使用，主要用于采集数据信息并将数据发送给FFD，通常内存较小，功耗较低。在ZigBee 无线传感器网络中通过该2 种设备协调工作，在保证网络覆盖范围的同时可有效降低整体功耗。ZigBee 技术具有系统简单、组网灵活、动态性好、稳定性高、低功耗、低成本、低等待时间等特点，在环境监测领域具有其他无线网络技术难以比拟的优势。

1.3 GPRS 技术

GPRS 是在GSM 全球移动通信系统网络基础上发展的一种分组交换的数据业务［18］，具有覆盖范围广、接入速度快、数据传输效率高、稳定性好、数据流量资费低等特点，非常适用于无线传感器网络中的Sink 节点与远程服务器之间的数据传输。

2 煤矿环境远程监测系统设计

2.1 系统整体设计

如图2 所示，在监测区域内布设大量节点，该类节点通过自组织的方式组成无线传感器网络，传感器节点(图1 中的“node”和“route node”)通过ZigBee协议将采集到的数据直接或以路由中继的方式发送至主节点(Sink node)。主节点与GPRS 模块相连接，可以通过GPRS 网络将数据发送至远程监控中心。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 传感器节点

传感器节点硬件结构如图3 所示。节点采用非常适用于低功耗ZigBee 系统的飞比小金刚－CC2530 ZigBee 模块电池板和具有高性能的射频收发器、增强型的8051CPU、8 kB 的SRAM、AES 安全协同处理器及21 个通用IO 引脚的飞比FB2530RF_ACC2530 射频开发板组成。通过IAR 开发环境自带的CC2530. h头文件中对各个特殊功能寄存器的定义，可便于对该类引脚进行编程，配置为连接模拟数字转换器、计时器或串口部件的外围设备I/O［19］。本系统所采用的传感器有SHT10 防护型温湿度传感器、GY － 63 MS5611 －01BA03 气压传感器等，用于采集监测区域的温度、湿度、气压等信息。传感器节点采用空闲休眠机制，即只有在有数据传送时才被唤醒工作，功耗较低，使用干电池供电。

图3 传感器节点硬件Fig.3 Hardware of sensor nodes

2.2.2 中心节点

中心节点硬件结构如图4 所示。采用飞比CC2530 ZigBee/RF4CE 开发板和飞比FB2530RF_A CC2530 射频开发板组成控制核心，同时集成了COMWAYWG－8010 －232 GPRSDTU 模块，二者之间采用RS232 串口方式进行通信，可以将无线传感器网络采集到的数据利用GPRS 网络传送至远程监控中心。另外，考虑到中心节点功耗较高，采用太阳能板电池与蓄电池相结合的供电方式，同时使用直流控制器避免蓄电池因过充或过放而被损坏，以延长节点的工作时间。

图4 中心节点硬件Fig.4 Hardware of sinknode

2.3 系统软件设计

2.3.1 上位机监控软件

上位机监控软件具有实现监测数据的实时显示、统计查询、增删记录等数据管理功能，主要包括:①数据库管理模块，由数据库与数据库服务器组成，数据库用于存储数据，数据库服务器负责各模块与数据库之间的交互;②系统管理模块，主要用于实现用户对监测数据的管理操作;③数据处理模块，负责对接收到的数据进行处理并将其传输至系统管理模块。上位机监控系统软件架构为C/S 结构，使用面向TCP/IP 协议的Socket 通讯机制，结合SQL 数据库，采用Microsoft Visual C#语言编写程序。上位机监控系统结构见图5。

2.3.2 下位机监控软件

图5 监控系统结构Fig.5 Monitoring system structure

下位机监控软件主要实现ZigBee 无线传感器网络的建立、传感器节点的数据采集及发送、中心节点与GPRS 模块之间的数据通讯以及GPRS 模块的数据收发等功能。该部分程序采用TI 公司开发的Z_Stack协议栈［20］，在IAR编译环境中使用C#语言进行开发。对于传感器节点主要实现数据的定时采集、A/D 运算、定时发送、定时休眠等功能，同时将一部分传感器节点设置为路由节点，增加路由功能，以实现数据的路由中继;对于中心节点主要实现协调网络与数据收发等功能，借助CC2530 芯片的API 函数，遵循约定的报文格式，由中心节点向GPRS 模块发送数据。ZigBee 无线传感器网络组建与数据采集过程见图6。GPRS 数据收发流程见图7。

图6 ZigBee 无线传感器网络组建与数据采集过程Fig.6 Process of ZigBee wireless sensor networking and data collection

3 应用实例

图7 GPRS 数据收发流程Fig.7 Flow-sheet of the transmission of GPRS data

在山东省邹城市鲍店矿区选取试验场对所设计的煤矿环境远程监测系统进行测试。将IAR 编译生成的hex 文件烧写到CC2530 单片机并连接好温湿度与气压传感器，采用网状拓扑结构的组网方案，在监测区域布设8 个监测点，其中3 个节点距离中心节点20 m，将其中的2 个节点设置为路由节点，用于与中心节点距离较远的传感器节点间的信息传递。同时打开远程服务器，配置好与中心节点相连接的GPRS模块的IP 地址与端口号，即可进行测试。启动无线传感器网络并连接GPRS－DTU 后，在远程监控中心可通过选择节点编号，查看相应节点所采集的温湿度与气压数据，并可查询指定时间段内的数据信息。系统温度监控面板的界面如图8 所示。

图8 温度监控面板界面Fig.8 Interface of temperature monitoring

为了验证该系统温湿度传感器所采集数据的准确性，选取其中3 个监测点，将传感器节点的监测值与同一时刻WSK －SC 手持温湿度计实地采集的数据进行对比，结果见表1。

表1 监测值与对比值结果Table 1 Results of monitoring value and comparison value

由表1 可知，该系统温度控制精度为±1 ℃，湿度控制精度为±4.5%，可见，该系统温湿度传感器精度与WSK －SC 手持温湿度计精度相当，可以满足煤矿环境的监测要求。

4 结 语

根据煤矿现场监测的实际需求，将ZigBee 无线传感器网络与GPRS 技术相结合，构建了一套煤矿环境信息无线采集系统，同时结合上位机远程监控系统，实现了对煤矿环境的远程实时监测。结果表明，该系统运行可靠、可适应复杂的地质环境，成本较低，同时克服了有线网络布线难度大、节点安置不灵活、动态性差、难以维护等弊端，在矿山环境综合监测领域具有较好的应用前景。

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