基于ZigBee的煤礦監控網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

1 引言

近年來(lái)，煤炭需求量不斷增加，各地煤礦事故時(shí)有發(fā)生。針對有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )難以動(dòng)態(tài)、全方位監控煤礦的問(wèn)題，提出采用先進(jìn)ZigBee技術(shù)構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的新型煤礦監控系統，實(shí)現對煤礦人井人員的實(shí)時(shí)跟蹤和定位，隨時(shí)掌握井下每個(gè)作業(yè)人員的位置及活動(dòng)軌跡。這對保證煤礦安全生產(chǎn)有著(zhù)重要的現實(shí)意義。本文通過(guò)對ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的討論，重點(diǎn)研究了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備。

2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )結構

2.1網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

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

基于ZigBee的煤礦監控系統網(wǎng)絡(luò )包含傳感器節點(diǎn)和信息控制中心。信息控制中心由通信機、信息處理服務(wù)器、數據庫服務(wù)器等組成，主要完成對網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、網(wǎng)絡(luò )管理、數據分析處理及預警報警功能等。為減小能量損耗和數據包丟失，該系統設計采用簇1樹(shù)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，如圖1所示。

基于ZigBee的煤礦監控網(wǎng)絡(luò )體系結構由傳感器節點(diǎn)，路由器及監控主機3部分組成。運行中，先由監控主機發(fā)送查詢(xún)的請求命令，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳到路由器。路由節點(diǎn)根據請求命令的具體要求，選擇ZigBee協(xié)調器，接著(zhù)根據命令選擇所要查詢(xún)的簇1，當簇1首領(lǐng)收到控制命令后，激活本簇內的所有節點(diǎn)進(jìn)行通信。本簇內節點(diǎn)及時(shí)采集數據，經(jīng)過(guò)數模轉換后發(fā)送給本簇的首領(lǐng)，再由首領(lǐng)傳送給ZigBee協(xié)調器，然后傳輸到路由器，繼而通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò )傳給控制中心?？刂浦行膶祿M(jìn)行處理、分析，從而了解該區域的作業(yè)人員分布情況。

2.2無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)結構

在不同應用中，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的組成不盡相同，但基本結構都是一樣的。節點(diǎn)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。傳感器節點(diǎn)處理器模塊主要用于對采集的數據以及其他節點(diǎn)發(fā)送的數據進(jìn)行操作、存儲和處理；無(wú)線(xiàn)通信模塊負責與其他傳感器節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信、交換控制消息和收發(fā)采集數據；而能量供應模塊為傳感器節點(diǎn)提供運行所需的能量，通常采用微型電池。根據不同應用需求和定位系統來(lái)確定傳感器節點(diǎn)位置。

節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中充當數據采集者、數據中轉站或簇頭節點(diǎn)3種角色。作為數據采集者，數據采集模塊收集周?chē)h(huán)境的數據，通過(guò)通信路由協(xié)議直接或間接地將數據傳輸給遠方基站或者匯聚節點(diǎn)；作為數據中轉站，節點(diǎn)除了完成采集任務(wù)以外，還要接收鄰近節點(diǎn)的數據，將其轉發(fā)給離基站更近的鄰近節點(diǎn)或者直接轉發(fā)到基站，匯聚節點(diǎn)；作為簇頭節點(diǎn)負責收集該簇內所有節點(diǎn)采集的數據，并進(jìn)行數據融合處理，然后發(fā)送給基站或匯聚節點(diǎn)。匯聚節點(diǎn)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(luò )與Internet等外部網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現兩種協(xié)議的通信協(xié)議轉換，同時(shí)發(fā)布管理節點(diǎn)的監測任務(wù)．并把采集數據轉發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò )。

2.3傳感器節點(diǎn)硬件設計

傳感器節點(diǎn)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(xiàn)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(shí)間轉換至主動(dòng)模式的特性，適用于那些要求電池壽命長(cháng)和運行時(shí)間長(cháng)的煤礦監測系統。傳感器節點(diǎn)電路原理如圖3所示。