基于ZigBee的煤礦監(jiān)控網(wǎng)絡節(jié)點設計

1 引言

近年來，煤炭需求量不斷增加，各地煤礦事故時有發(fā)生。針對有線網(wǎng)絡難以動態(tài)、全方位監(jiān)控煤礦的問題，提出采用先進ZigBee技術構成無線傳感器網(wǎng)絡的新型煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦人井人員的實時跟蹤和定位，隨時掌握井下每個作業(yè)人員的位置及活動軌跡。這對保證煤礦安全生產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實意義。本文通過對ZigBee無線網(wǎng)絡的討論，重點研究了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設備。

2無線傳感器網(wǎng)絡結構

2.1網(wǎng)絡拓撲結構

ZigBee網(wǎng)絡支持兩類物理設備，即全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。一般來說，F(xiàn)FD支持任何拓撲結構，可以充當網(wǎng)絡協(xié)調器，能與任何設備通信；而RFD只適用于星型網(wǎng)絡拓撲結構，不能充當網(wǎng)絡協(xié)調器，只能與FFD通信。在任何ZigBee網(wǎng)絡中必然存在網(wǎng)絡協(xié)調功能設備和精簡功能設備，前者可與任何設備通信，用于協(xié)調建立網(wǎng)絡；后者因其內部功能結構簡單，上層應用少，某些僅僅包含IEEE標準的協(xié)議。

基于ZigBee的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡包含傳感器節(jié)點和信息控制中心。信息控制中心由通信機、信息處理服務器、數(shù)據(jù)庫服務器等組成，主要完成對網(wǎng)絡無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進行實時采集、網(wǎng)絡管理、數(shù)據(jù)分析處理及預警報警功能等。為減小能量損耗和數(shù)據(jù)包丟失，該系統(tǒng)設計采用簇1樹網(wǎng)絡拓撲結構，如圖1所示。

基于ZigBee的煤礦監(jiān)控網(wǎng)絡體系結構由傳感器節(jié)點，路由器及監(jiān)控主機3部分組成。運行中，先由監(jiān)控主機發(fā)送查詢的請求命令，通過互聯(lián)網(wǎng)傳到路由器。路由節(jié)點根據(jù)請求命令的具體要求，選擇ZigBee協(xié)調器，接著根據(jù)命令選擇所要查詢的簇1，當簇1首領收到控制命令后，激活本簇內的所有節(jié)點進行通信。本簇內節(jié)點及時采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉換后發(fā)送給本簇的首領，再由首領傳送給ZigBee協(xié)調器，然后傳輸?shù)铰酚善鳎^而通過外部網(wǎng)絡傳給控制中心?？刂浦行膶?shù)據(jù)進行處理、分析，從而了解該區(qū)域的作業(yè)人員分布情況。

2.2無線傳感器節(jié)點結構

在不同應用中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成不盡相同，但基本結構都是一樣的。節(jié)點的典型硬件結構如圖2所示，主要包括電池及電源管理電路、傳感器、信號調理電路、A／D轉換器、存儲器、微處理器和射頻模塊等。傳感器節(jié)點處理器模塊主要用于對采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行操作、存儲和處理；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點的無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；而能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。根據(jù)不同應用需求和定位系統(tǒng)來確定傳感器節(jié)點位置。

節(jié)點在網(wǎng)絡中充當數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉站或簇頭節(jié)點3種角色。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，通過通信路由協(xié)議直接或間接地將數(shù)據(jù)傳輸給遠方基站或者匯聚節(jié)點；作為數(shù)據(jù)中轉站，節(jié)點除了完成采集任務以外，還要接收鄰近節(jié)點的數(shù)據(jù)，將其轉發(fā)給離基站更近的鄰近節(jié)點或者直接轉發(fā)到基站，匯聚節(jié)點；作為簇頭節(jié)點負責收集該簇內所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)融合處理，然后發(fā)送給基站或匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網(wǎng)絡與Internet等外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議的通信協(xié)議轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務．并把采集數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡。

2.3傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點硬件電路是以CC2430為核心。CC2430為SoC CMOS器件，內嵌高性能、低功耗8051微控制器，內部集成14位模數(shù)轉換器件和符合IEEE802.15.4協(xié)議的2.4 GHz的RF收發(fā)器，具有優(yōu)良的天線接收靈敏度和強大的抗干擾性。在接收和發(fā)射模式下，電流消耗低于27 mA。CC2430還具有休眠模式和以較短時間轉換至主動模式的特性，適用于那些要求電池壽命長和運行時間長的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器節(jié)點電路原理如圖3所示。