基于ZigBee技术的煤矿机械无线检测网络系统设计与应用

[摘 要]近几年来,随着网络信息技术的不断发展,无线传感网络（WSN）被认为是本世纪最具有影响力的十大技术之一.鉴于煤矿机械有限检测网络存在的弊端,特设计一种基于ZigBee技术的煤矿机械无线检测网络系统,该技术具有网络容量大、传输速率低及时延短等优点,在油田及煤矿中得到广泛应用.为此,本文首先阐述了ZigBee技术的相关原理及性能,然后分析了无线传感器网络.最后探讨了应用ZigBee技术的煤矿机械无线检测网络系统的硬件及软件设计.

[关 键 词]ZigBee技术；煤矿机械；无线检测网络系统；设计及应用

0引言

长期以来,我国绝大多数煤矿机械检测多采用有线技术进行网络重建,该种网络方案的特点为布线较繁琐同时扩展性能较差.加上采用硬线连接,线路极易老化或者遭到磨损及腐蚀,导致故障发生率较高,严重影响检测的可靠性及安全性.然而,采用无线传输就能够较好的解决这一问题,与有线网络相比,无线检测方式较灵活,可适应不断变化及移动需要,有效避免了布线的麻烦,最为重要的是减少了故障发生率,提高检测的可靠性.为此,本文设计一种基于ZigBee技术的煤矿机械无线检测网络,具有重要的实践意义.

1ZigBee技术

ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗及低成本的双向无线通讯技术,同时也是一种高可靠的无线数传网络,与常用的G与CDMA网络,其数传模块类似于移动网络基站,可支持无限扩展.另外,该技术是由六万五千多个无线数传模块所组成的无线数传网络,每一个节点之间都可进行通信,其距离可从标准的七十五米进行无限扩展.到目前为止,ZigBee技术主要针对的是医疗、工业、遥测遥控（灯光自动化控制）以及家庭自动化等方面的应用,传感器的无线数据采集和监控还可应用在油田、电力、矿山以及物流管理等领域.

Zigbee技术具有以下几个特点[2]：1）具有较高的安全性：主要是因为ZigBee技术具有较权威的鉴权及数据完整性的检查功能,同时使用通用的加密算法AES-128,该算法具有较高的保密性及灵活性,最大限度确保网络系统的安全.2）可靠性：ZigBee采用了碰撞避免机制,该制度专为通信业务预留了一定的专用时隙,尽量避免数据发送过程中所出现的冲突,确保数据信息在网络传输中安全可靠.3）传输速递较低：一般情况下,ZigBee技术在2.4GHz的频段条件下,其速率只有每秒250KB,该速率还仅仅体现在链路上.实质上所拥有的速率基本不会超过每秒100KB,并且剩下的速率还会被其他的节点所瓜分,到最后所剩的速率了了无几,在其他范围就会受到一定限制.4）低成本：由于该技术的速率较低,所使用的成本费用相对较少,更为重要的是该技术免受专利费用,在很大程度上减少了成本费.5）低功耗：若在省电模式下,采用两节普通五号电池就能够支持该设备使用半年以上,连续使用两年左右.这样一来,就大大的减少了更换电池的麻烦,节约资源.6）短时延：在实际应用中,其实际的时延范围在15ms左右,最多不超过30ms,在较短时间里,优化了时延的敏感度,相应的缩短了通信时间及从休眠过渡到激活的时间,提高检测效率.7）拥有较大的网络容量：据调查发现,ZigBee技术的网络容量高达可支持六万五千多个节点,所支持的设备可达二百五十多个,同时拥有强大的无线网络自愈能力及网络结构能力,所覆盖的范围较广泛,扩大检测空间.

2无线传感器网络

无线传感器（WSN）是通过大量廉价的传感器节点部署在指定区域内进而组成的网络,主要是为了采集及网络覆盖区域中所感知对象的各种信息[3].通常情况下,该网络系统则包括传感器节点、管理节点及汇集节点三大部分.所谓的传感器节点则被安装在检测机械的转动轴承上以及设备的附近支架上,将采集到的相关信息通过自组织方式进而构成网线网络,而用户就通过管理节点对网线网络进行配置,最终发布检测任务及收集检测数据.

根据IEEE802.15.4的标准定义,对ZigBee的协议栈下面的两层进行了规定,分别为：物理层及媒体访问控制层；应用层及联盟定义网络层.其协议栈的结构模型如下表1所示：对于每一层的数据实体完成数据传输怎么写作,而管理实体则提供其他的怎么写作.每一层之间的通信都必须通过“SAP”交换怎么写作原语来实现这一目标.

3无线检测网络系统的硬件设计

无线检测网络系统的硬件设计分为传感器节点及网关节点.传感器节点是无线传感网络的重要组成部分,其主要职责是采集数据及传递数据.由四部分组成[4],分别为：处理器模块、传感器模块、无线通信模块及能量供应模块.其详细功能如下图1所示.其中传感器模块则主要是为了采集信息,将采集到的信息转换成A/D格式；处理器模块的任务是对整个节点进行控制操作,同时将其它几点传输来的数据进行存储；无线通信模块对数据进行接受及发送；最后的能量供应模块则是对上述的各个模块提供能量.

通过市场调研及煤矿环境的综合考虑,特采取Atmel公司的AT91RM920微处理器及AT86RF230射频芯片,该芯片较低廉、稳定性强及功耗低,利用它来构建传感器节点,具有较高应用价值.该微处理器的时钟频率最高可达到180MHz,其内部有16KB的数据缓存及指令缓存.同时还有8个ADC输入端口,有着休眠及自动唤醒作用,强大的抗干扰能力.不仅可满足传感器节点的低功耗,而且还能够满足协调节点对数据管理的需求.该传感器节点采用普通的电池供电,电源管理芯片则选用SOT-223封装,而温度传感器则选择SHT-71,该种温度传感器是一种具有较高精度的传感器,另外,具有较高的灵敏度、较低的功耗及稳定性.将其安装在各种旋转机械装置的轴承盖上,进而对机械的振动速度及幅度进行检测.

网关节点的作用是转发数据及路由.一旦接收到传感器节点传送过来的数据,网关节点就会通过太网将数据传给检测中心,受到检测中心计算机的传输命令之后,就会选择适当的网络协调器,最终传输给正确的传感器节点.该处理器模块则采用成都无线龙公司的CC2430模块,该模块具有较高质量的图像,较高集成度,可执行16位的THUMB指令及32位的ARM指令.同时包含了一个高效的8051控制器及一个高性能的射频收发器核心.其电流损耗分别为27毫安及25毫安,实现低功耗率的特点.4无线检测网络系统的软件设计

其软件设计也相应的包括传感器节点及网关的节点设计.传感器节点的软件采用模块化的设计方法,将其分为主控制、初始化、无线通讯传输及网络路由几大部分.其中主控制则起着主控作用,通过收到的命令及节点的工作状态来相应采用不同功能模块完成任务；初始化就是在传感器节点正常工作之前将所传感到的数据（通信信道、网络地址及设置发射功率等级）进行初始化,进而使ZigBee节点处于主动模式,并且为网络数据的采集及连接做好准备[5]；无线通讯传输则将各个节点之间的无线通信功能（数据传输、无线链路的连接）封存起来.若不进行工作,就会自动处于休眠模式,这样一来,不仅节约了成本,而且还实现节能减排的目的.

网关节点的软件设计同样也采取模块设计方法,将其分为主控制、初始化、显示模块及网络路由几大部分,对于主控制模块的作用就是接受到命令指令后调用相应的功能模块来完成相应的操作；而初始化模块在网关节点正常工作之前则对网关节点的参数进行初始化；而显示模块的主要任务则是在屏幕上显示网关接受的操作命令及信息；最后通过网络路由实现网关节点的路由计算.邓作杰,谭小兰等研究者对煤矿安全监控系统也进行了研究[6],也是基于ZigBee技术的相关设计,并取得了较好的实践效果.

5结束语

本文通过ZigBee技术设计一种煤矿机械无线检测网络系统,分别从传感器节点及网关节点的硬件、软件进行设计.设计好的无线网络检测系统采用VB做上位界面,同时在机械的轴承及电动机上安装传感器节点,一旦检测对象的震动频率超过已设定的数值,就会在人机界面的相应位置显示红灯,还有语音提示.通过此种方法,可有效、方便及正确的反应出煤矿电机或者其他部分的运行情况,进而为工作人员提供理论依据,防止煤矿机械安全事故的发生,确保煤矿企业健康、有序及稳定的发展.当然,在今后的时期内,应根据实践工作及信息技术的发展,对检测系统进行进一步研究及探讨,更好的为煤矿企业怎么写作.

[参考文献]

[1]阮殿旭,唐大放,张晓光等.Zigbee技术无线传感器网络在煤矿井下环境监测中的应用研究[J].煤矿机械,2008,29（6）：163-164.

[2]张雅君,李明学,田由辉等.基于Zigbee技术的煤矿井下设备监测系统的研究[J].煤矿机械,2013,34（5）：271-272.

[3]LiZheng.ZigBeeWirelessSensorNetworkinIndustrialApplieatiom[J].SICE―ICASE,2006.InternationalJointC.ollferoloe,2006.

[4]贺秀玲,李.基于Zigbee技术的煤炭无线网络应用[J].煤矿机械,2012,33（6）：265-267.

[5]邓作杰,谭小兰.基于Zigbee技术的煤矿安全监控系统设计[J].煤矿机械,2010,31（8）：171-173.

[6]田小敏,张灿明,孙超等.ZigBee技术在煤矿机械振动检测系统中的应用[J].煤炭技术,2011,30（4）：14-15.