（测试计量技术及仪器专业论文）无线传感网络技术在煤矿人员安全监测中的应用研究.pdf

哈尔；穿即t 人学t 6 死i f ? ，论上 无线传感技术在煤矿人员安全监测中的应用研究 摘要 随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，煤 矿安全问题已经成为国家和企业关注的首要问题，但是煤矿的自然环境复杂， 存在多种安全隐患。近年来我国煤矿事故频繁发生，造成重大经济损失和人员 伤亡，从而反映现有的煤矿安全监控系统存在一些问题。z i g b e e 技术是一种新 兴的具有统一技术标准的短距离无线通信技术，非常适合用于要求低成本、低 功耗的无线传感器网络。将该技术应用于煤矿安全监测，将有效的提高煤矿安 全生产监控和管理水平。 煤矿中很多参数现在已经存在经典的测量方案，但是在煤矿特定环境下对 人体生理信号的监测方面较少，因此本文意在把无线传感网络技术应用到煤矿 的部分区域，该技术的应用一方面可以在日常工作中进行环境参数的测量，另 一方面在事故发生后，由钻孔处送入新的z i g b e e 无线路由节点，该节点和矿工 们携带的无线传感器节点进行组网，将工人的生理数据送往控制中心，以便为 及时、快速、准确的营救确定最佳方案。本文研究的主要内容是人体生理信息 的采集，无线传感网络节点的设计，以及基于z i g b e e 协议的无线组网等方面的 内容。 人体的生理信号有很多种，本文选择便于测量，成本低廉的d s l 8 8 2 0 作为 温度传感器进行体温测量，通过人头部的三点最终确定人体的体温。另外本文 对m j c 4 3 0 l 瓦斯传感器进行了硬件电路设计。在节点的硬件设计方面主要通 过微处理器m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 和射频芯片c c 2 4 2 0 设计来满足系统的要求，软件 方面主要是在z i g b e e 协议的基础上编写应用程序的软件，以及用v c + + 软件编 写的上位机界面。 关键词煤矿安全；c c 2 4 2 0 ；m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 ：z i g b e e ；人体体温 哈尔演理丁大学t 学形! i 学 ? ，论爻 r e s e a r c ha p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e c h n i q u e i nc o a lm i n e sp e r s o n a ls e c u r i t y m o n i t o r i n g a b s t r a c t w i t ht h eh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n d st ot h es a f e t yi nc o a lm i n e sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ee n t e r p r i s e st h e m s e l v e s ，t h es e c u r i t yp r o b l e m si nc o a lm i n e sa l r e a d y b e c o m et h em o s ti m p o r t a n to n e sf o rt h ec o u n t r ya n de n t e r p r i s e s b e c a u s eo ft h ec o m p l e xn a t u r a le n v i r o n m e n t sa n dm a n yh i d d e nd a n g e r se x i s t i n gi nc o a lm i n e s ，t h ea c c i d e n t st h a tm a k et h eh e a v ye c o n o m i cl o s s e sa n dp e r s o n n e lc a s u a l t yo c c u r sf r e q u e n t l y i nc h i n ac o a lm i n e si nr e c e n ty e a r s i ts h o w st h a tt h ee x i s t i n gs a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e m s j nc o a 】m i n e sh a ss o m ei n s u f f i c i e n c i e s z i g b e ej san e ws h o r t d i s t a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hh a st h eu n i f o r mt e c h n i c a ls t a n d a r da n ds u i t a b l y u s e di nt h el o w 。c o s t ，l o w p o w e r - d i s s i p a t e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a p p l y i n gt h i s t e c h n o l o g yt ot h ec o a lm i n e s s a f e t ym o n i t o r i n gw i l le n h a n c es a f e t yp r o d u c t i o n m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tl e v e le f f e c t i v e l y t h e r em a n yp a r a m e t e r sn e e dt os u r v e yi nc o a lm i n e ，a n ds o m eo ft h e ma l r e a d y h a v ec l a s s i c ss u r v e ym e a s u r e m e n tm e t h o d ，b u ti nt h ec o n d i t i o no fc o a lm i n ee n v i r o n m e n t s ，t h e r ea r es e l d o mr e s e a r c h e si nh u m a nb o d yp h y s i o l o g ys i g n a l sm o n i t o rs o t h ea r t i c l ei n t e n d st ou s ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n i q u ei nc e r t a i ns e c t i o n so fc o a l m i n e ，t h i st e c h n o l o g y sa p p l i c a t i o nm a yc a r r yo ne n v i r o n m e n tp a r a m e t e rs u r v e yi n t h er o u t i n ew o r k ，o nt h eo t h e rh a n da f t e rc o a lm i n ea c c i d e n to c c u r s f r o mt h ed r i l l h o l es e n d si nn e wz i g , b e ew i r e l e s sr o u t en o d e ，t h i sn o d ea n dm i n e r sw e a rw i r e l e s s s e n s o rn o d ec o m p o s ew i r e l e s sn e t w o r k ，s e n dw o r k e r sp h y s i o l o g i c a ld a t at oc o n t r o l c e n t e r , f o rp r o m p t ，f a s t ，a c c u r a t er e s c u ep r o v i d e do p t i m u ms o l u t i o n t h ea u t h o r s t u d i e st h ea c q u i s i t i o no ft e m p e r a t u r es i g n a l so fh u m a nb o d i e s ，w i r e l e s ss e n s o rn o d e d e s i g n ，a n db a s e do nz i g b e ep r o t o c o lw i r e l e s sn e t w o r ka n ds oo n t h e r ea r em a n yp h y s i o l o g i c a ls i g n a l si nt h eh u m a nb o d i e s t h ea u t h o rc h o o s e s t h ei o w c o s td s18 8 2 0a st h et e m p e r a t u r es e n s o rt om e a s u r eh u m a n b o d y st e m p e r a 1 1 呛尔滨珲t 入翟t 学顺l 学位论文 t u r eb yt h r e es p o t so nt h eh e a d t h eg a ss e n s o lm j c 4 3 0 la n di t sh a r d w a r ec o n - n e c t i o nm o d ea r ea l s od e p i c t e di nt h ep a p e r i nt h eh a r d w a r e ，t h es y s t e md e m a n di s s a t i s f i e db yt h em i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f g 4 6 18a n dt h er a d i of r e q u e n c yc h i p c c 2 4 2 0 i nt h es o f t w a r et h ep r o g r a m m i n ga p p l i c a t i o np r o c e d u r ei sd o n ew i t hz i g - b e ep r o t o c o la sab a s i s ，a n dt h eu p p e rc o m p u t e ri n t e r f a c ei sp r o g r a m m e db yu s i n g v r + + k e y w o r d s c o a lm i n es a f e t y , c c 2 4 2 0 ，m s p 4 3 0 f g 4 6 1 8 ，z i g b e e ，h u m a nb o d yt e r n - p e r a t u r e i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无线传感技术在煤矿人员安 全监测中的应用研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者躲吴啦煞吼叫年孙罗日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 无线传感技术在煤矿人员安全监测中的应用研究系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：史糖热 导师签名： 兽淑 日期d o i ：7 年弓月i 罗日 醐：q 钨和 哈尔滨理t 人! t 譬顺l 学位论文 第1 章绪论 近年来，煤矿发生事故的数量在不断增加，如何加强安全生产，提高预警 和事后搜救的工作效率的问题，摆到了国家各级主管部门和领导的面前。在经 济高速发展、能源供应紧张的形势下，需要深入研究如何处理好保证安全和提 高产量的关系。经济发展不能以牺牲环境和生命为代价，所以提升安全生产信 息化管理水平，加强以灾害预防、搜救为主要目标的安全生产长效机制，是我 国安全生产工作的必由之路。 1 1 课题研究的意义 国家安全生产监管总局印发的安全生产“十一五”规划指出，要“坚 持安全第一、预防为主、综合治理方针”，“依靠科技进步，加大安全投入， 建立安全生产机制，推动安全发展。规划是我国安全生产信息化建设的指导 性文件，是“十一五”期间煤矿安全生产监管，安全生产应急救援和煤炭行业 安全管理等各方面开展信息化建设的重要依据【1 l 。 煤矿的自然条件非常复杂，开采条件也极端多变，矿井中瓦斯、矿尘、火 灾、水灾、项压【2 j 等各种安全隐患严重威胁着矿井作业工人的人身安全，增加了 煤矿开采的不安全度，容易引发重大事故，给安全生产造成极大的困难。我国 煤矿安全技术保障体系从总体上已基本形成，但还存在矿井瓦斯抽放规模和抽 放效率仍然偏低、不适应集约化生产、瓦斯监测仪器仪表和传感器的可靠性与 快速反应能力不高、粉尘浓度无法实现连续监测功能、重大事故遇险人员生命 不能保障和快速救援问题。煤矿的安全生产问题已经成为国家、社会和人民关 注的焦点。因此，国家希望改善目前已有的煤矿安全生产形式，在现有安全监 控系统的基础上进行改进，以确保煤矿的安全生产的顺利进行，使得国家的经 济财产和人们的生命安全减少损失和威胁。 对于现有的煤矿监控监测而言，存在着地面与井下人员的信息沟通不及时； 地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况；一旦煤矿事故发生， 抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差等问题。现有的监测系统一般都是 对静态的环境进行监测，很少有针对动态特别是人员的防护和救助信息的采集 能力，有线的通讯方式在动态生产的煤矿井下应用存在诸多不便，井下地形也 复杂，有线命线不便，建设成本也高，另一方面现有的监控设备都是自成一个 哈a ：演删t ，j 、”g - t 学硕t 学f t 论文 体系，没有统一网络平台，兼容性很差。针对目前无线传感器网络的发展，探 讨用无线通讯方式实现井下安全监测系统的信息传输，特别是蕈点研究人体的 状态信息，以及接口平台的设计，这样可以把各种安全监测监控系统集成起来， 建泛起集多种信息的综合性、计算机的交互性和监控的实时性等技术于一体的 煤矿安全综合监测监控系统，该系统是以环境、机械、设备、产品、原材料以 及相关的人等为监测对象，最终目的是保护人的安全和防止生产资料的损失【3 i 。 1 2 煤矿安全监测系统的研究现状 煤矿安全监测系统是可以对煤矿矿井内的瓦斯、粉尘、火灾、顶板压力等 多方面参数进行监测的综合系统。国外研制矿井计算机安全监控系统始于2 0 世 纪6 0 年代。我国对煤矿监测监控技术的研究和应用较晚，8 0 年代初，从波兰、 法国、德国、英国和美国等( 如d a n 6 4 0 0 、t f 2 0 0 、m i n o s 和s e n t u r i o n 2 0 ) 引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿。我国矿井内使用的安全监测系统 大多采用有线监测方式，如常州市三恒自动化仪表有限公司生产的k j 7 0 型煤矿 安全监控系统，东恒发展有限公司的k j 9 0 型煤矿综合监控系统，w m i s 煤矿安 全生产信息实时监控系统。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企 业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了k j 9 0 、k j 9 5 、 1 0 1 、k j f 2 0 0 0 、k j 4 k j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及m s n m 、w e b g i s 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统【4 s l 。 目前绝大多数煤矿安全监控系统都采用有线方式传输信号，即采用光缆、 电力线或信号电缆等【6 】。但这些传统的有线布设方式存在以下几个方面的问题： 1 布线繁琐，安装维护成本大监测系统所需的大量光缆、电缆价格不菲， 此外在复杂的地下环境布设线路同样需要消耗大量的人力物力。 2 覆盖范围有限由于地形环境复杂多变，矿井中存在着大量难以布线的 区域，有线监控系统很难遍布矿井的各个地区，无法实现对井下的全方位监测， 为安全生产留下隐患。 3 线路依赖性强有线网络的自我修复性能较差，局部线路遭到破坏很可 能整个监控系统的瘫痪。 此外，现代化的煤矿安全监控系统除了实现对环境的监控之外，还应包括 对设备和人员的监控，通过监控系统实现井下人员和设备的管理和调度，提高 生产效率和安全性。以上这些都是有线系统难以实现的，因此，使用无线通信 技术，建立以无线传感网络为基础的煤矿安全监控系统足有现实意义的。 哈，j ：泞删。1 。j 、。t 。学顺l 学位论文 1 3 煤矿中无线传感器网络的引入 随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微电子系统制造 技术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器j r 始出现在军 事、工业、农业和宇航各个领域【7 1 ：无线网络传感器是集传感器执行器、控制器 和通信装置于一体。集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身嵌入 式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集 网络分布区域内的各种监测对蒙信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这 些信息的用户【8 i 。 无线传感器网络最早用于军事侦察，近年来己经逐步应用到民用领域。由 随机分布的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多 样的传感器，可以测量所在周边环境的温度、湿度、压力、气体成分等多种物 理参数，实现对所在环境的监测。此外，通过无线传感器网络，还可以实现一一 些简单的控制功能，例如开关控制。从国外己成熟的应用来看，在环境、医疗、 楼宇监测、交通和制造业等许多领域里，无线传感器网络都有极大的应用价值f 9 l 。 把无线传感器网络应用到煤矿安全监控系统中，通过各种传感器实时采集 矿井的环境信息，由微处理器系统对其进行处理，通过自组织无线网络以多跳 中继方式将信息传输到井外的监控终端，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、 便携、可靠性高等优点。 因此，本文研究的是基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统，该系统采 用无线通信技术，实时对矿井下的环境参数和人体的生理信号进行采集和监测， 在同常工作中可以监测环境参数，在事故发生后，通过人体的生理信息为人员 的及时，准确，有效的救助提供科学的依据，另一方面也弥补了纯有线监测方 式存在的两方面缺陷：一、系统对线路依赖性强，受布线局限；二、当某一节 点发生事故，会使局部区域失去监测能力。因此本文具有实际的研究价值。 1 4 本文的主要研究内容 课题对t i 的z i g b e e 协议展开了全面深入的研究，在此协议栈的基础上进 行开发，并设计了无线传感器节点硬件。本文在构建无线传感器网络矿井安全 监测系统模型的基础上，并对无线传感网络节点模块进行了设计。研究的内容 主要包括以下几个方面： 1 针对我国煤矿安全系统中的现状，在煤矿现有的安全监测系统的基础 上，以无线传感器网络作为技术手段，来提出煤矿安全监测的总体方案，并且 重点设计一种能够监测到人体生理信号的网络节点。为了体现监测平台综合性 能，对瓦斯传感器的工作原理进行了探讨并设计了硬件接口。 2 无线传感器节点的硬件设计，本文进行了硬件节点电路的设计与调试， 该节点是全功能节点，一方面是作为子节点，对环境参数和人体信号的采集和 处理，并且能够把采集到的数据通过无线方式发送出去，另一方面可以作为主 节点，接收子节点传输的数据，并把接收到数据传送至上位机。 3 软件设计包括对人体体温信号的采集和处理的软件设计，信号的传输， 节点的迅速接入和离开网络，以及在z i g b e e 协议的基础上进行子节点对数据的 采集与传输，主节点对数据的接收与传输等相关的应用程序的设计。 4 在实验室条件下进行基本的测试，分析了测试的过程和结果，通过系统 监测到信号，一方面可以知道日常工作中的环境参数，另一方面能够反映发生 事故后人的生理状况，为人员的安全提供了保障，并且为今后煤矿安全监测工 作的顺利开展提供更加坚实的基础。 哈尔i 寅删t 人。t 学彤i1 + f _ 论乏 第2 章系统整体方案选择 随着计算机技术、控制技术和通讯网络技术的发展，监控技术也在不断发 展，数字化、网络化监控技术已经成为其主流，针对煤矿安全监控实际需求， 设备的整体结构应包括包括地面监控中心、有线骨干网、无线网关节点、传感 器模块。 传感器模块主要用于环境监测，以及人安全监测和定位，其中环境监测包 括瓦斯浓度探测，一氧化碳浓度探测，空气湿度探测等功能；人体安全监测包 括对能够反应人体生理特征的信号的检测功能，比如说脉搏，体温等，以及判 断人员的大体位置的功能。传感器对各种原始信号进行采集后，有些需要进行 模拟信号到数字信号的转换，这一过程要经过模拟信号放大器，a d 转换器， 电平比较器，信号处理等环节，转换后得到的数字信号经过无线网关节点，以 及有线网络把数据送到地面监控中心的服务器上。地面监控中心的作用包括对 整个系统的监控，数据处理比较和报警，在矿难发生时可以提供用于判断人员 的生理状况和大体位置信息以便营救，对整个系统的数据进行自动备份并且自 动上传至当地政府煤矿安全生产监管系统主机。 2 1 系统总体设计原则 煤矿安全监测技术中的人体安全监测可以借鉴医疗上人体生理信号的采集 技术。另一个设计原则是研究环境参数、人体生理信号采集为一体的装置，为 灾后救援，同常管理提供方便，该技术能够准确地将井下各个区域人员的动态 情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员的分布情况及 每个矿工的活动的轨迹，以便进行合理地调度管理。当事故发生时，营救人员 可以根据本系统提供的人体的生理信号数据和有关人员的位置情况，及时采取 相应的营救措施，提高救援工作的效率。由于煤矿下无线环境的复杂多变，与 传统的煤矿环境监测手段和医疗上人体生理信号的采集手段相比，在煤矿下使 用无线传感器技术进行安全监测面临着以下问题： 1 抗电磁干扰和煤壁吸收要求高煤矿井下尤其是工作面等处，大功率机 电设备多，起停频繁，电磁环境复杂，要求无传感器网络在通信上的抗干扰能 力强，考虑到无线传感器网络能量低的特点，要提高系统通信的可靠性，必须 选择电磁干扰和煤壁吸收相对较小的工作频段和合适的信道编码技术【l 叭。 n a 尔演理t 人学下学顺 ：筝f ? ，论之 2 动态重组和网络重建能力强随着煤矿丌拓和掘进的进行，行置传感器 网络的范闭也会发生变化，老的位置将被回收或随着能量的耗尽而退出网络， 同时又不断有新的节点加入，网络拓扑变动大，传感节点数量变动频繁，需要 高效的自组织算法和网络的动态重组协议。 3 低成本、低功耗要求突出作为环境参数监测的传感器网络节点，随着 开采的进行将变为对煤矿采空区长期监测的系统，一般不能再b j l 收利用，另一 方面，由于煤矿井下无线传输损耗大，要求发射机的功率比在陆地工作时大， 更换传感器或电池非常困难，因此无线传感器必须是低成本、低功耗的。 4 便于安装，设备体积小该装置由人体随身佩带，因此要求装置体积要 很小；对于人体生理信息的采集主要目的是在事故发生时能够反应人员的生理 状态，因此要求便于测量，而且对传感器的精度要求不是很高。 亏网络传感节点防爆、防潮一方面，井下环境湿度、温度、气体等都会 对无线传感网络电子设备造成危害，必须对这些设备加以保护；另一方面，上 述工作环境也会对无线通信造成不利影响。因此各种网络节点必须符合煤矿井 下电气设备防爆，防潮的通用要求。 2 2 系统的总体结构设计 由于该系统是在矿区使用，系统设备分布在井上控制室、井下各巷道等， 系统的通信方案选择时应该考虑到井上、井下的复杂环境。井下通信的特点是 整个信号的传播都是在井下的巷道，是一个封闭的环境，与地面通信方式不同。 目自订国内还没有并下通信标准，因此系统可以根据现有的条件和实际需要进行 开发，但应考虑到适合以后通信发展的要求，并且利于推广，以下通过各种通 信方案的比较，来选择一个适合煤矿的通信方案来进行研究。 2 2 1 通信方案的比较 目前在使用的通信方式有很多种，适合井下的通信方式应该是具有性价比 高，能够提供统一的接口。从满足以上基本要求的角度考虑，在煤矿下的通信 方式可以分为有线和无线两大类，以下对有线和无线两大类中的各种通信方式 进行比，从而选择适合于煤矿下的通信方案。 第一类有线通信方式： 1 电力线载波通信电力线载波通信是利用电力线作为传输通道的载波通 信，是实现数据传递和信息交换的一种通信手段。应用电力线通信方式发送数 据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上，再经过功率放大，然后通过耦 合电路耦合到电力线上。信号频带峰峰值一般不超过1 0 v ，因此不会对电力线 路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高 频信号分离，滤去于扰信号后再放大，再经解调电路还原成二进制数字信号完 成通信过程。电力线载波通信不需要鼋新装设通道，其设备简单、施工方便、 建设周期相对较短且成本低等方面是其它通信方式所无法比拟的【1 1 1 。 2 短波漏泄通信短波漏泄通信使用漏泄同轴电缆传输信号。由于漏泄点 存在，在短波频段看漏泄同轴电缆( 2 0 d b m k m 4 0 d b m k m ) 比普通同轴电缆的 传输损耗略大；当频率更高时，漏泄能量随频率升高而急剧加大，漏泄电缆的 传输损耗也比普通电缆大的多。因此，为了远距离传输，漏泄通信的频率选在 2 0 1 5 0 m h z 的短波和超短波低端，同时，为了弥补能量损失，每隔几百米加几 个中继放大器，以实现井下的远距离无线通信。短波在井下产生和受到的干扰 也最小，因此短波泄露通信是井下无线通信的较好方式。同时这个频段的地面 通信设备和技术也非常成熟，所以短波漏泄通信成为许多国家发展井下无线通 信的共同选择，如德国、英国、美国等，但其缺点是造价过高【1 2 i 。 第二类无线通信方式： 1 无线局域网1 9 9 7 年，i e e e 8 0 2 1 1 工作组发布了8 0 2 1 1 协议，这也是 在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议，8 0 2 1 1 标准经过一段时间 的发展，分别产生了几个不同的扩展标准，即8 0 2 1 l b a g 标准簇，它们在技术 和性能上各有差异。在工作频段上，8 0 2 1 1 标准簇工作在2 4 g h z 或5 g h z 非许 可证频段上，最大数据传输速率可达2 m b i t s 。与有线局域网相比，w l a n 有以 下优点：用户可移动性、便捷与快速建网、组网的灵活性、低成本等，主要针 对高速无线，适合传输视频，邮件，w e b 服务等蜂窝通信技术1 1 3 j 。 2 g s m g p r sg p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ， g p r s ) 的英文简称，是在g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是 为g s m 用户提供分组形式的数据业务。 g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用 电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。 g s m 终端设备之间能够通过短消息服务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，s m s ) 进行数 据传输，利用该功能，将s m s 服务功能加入到每一监测终端中，即可以实现无 线煤矿检测。该方法可以利用现有的g s m 网，数据的传输不受距离和空l 训的限 制。但由于单个模块成本较高，目前g s m g r p s 技术还不能用于每个煤矿监测 的节点，主要用于对无线网关的，或者管理单位以此方式与其他节点交换信息。 n 弁尔i 寅f 【 ! t 人7 - ! # 6 i 卜学位论足 3 蓝牙技术蓝牙技术由爱立信、东芝、i b m 、诺基亚和英特尔五家公司 于1 9 9 8 年提出。蓝牙技术是实现话音和数掘无线传输的开放性规范，是一种低 成本、短距离、支持点到点和点到多点的通信的无线通信技术，其技术特点主 要是： 使用2 4 g h zi s m 频段，无需申请频率许可证； 采用跳频扩谱技术抗干扰和衰落，并采用快跳频( 跳频速率1 6 0 0 跳秒) 、 短分组及快速等方法进一步干扰和衰落，提高传输的可靠性； 采用时分双工方式，基带协议采用电路交换和分组交换混合方式，组网方 便灵活； 采用f m 调制方式，降低设备的复杂性和成本； 从物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施，保密性好【1 4 l 。 蓝牙技术具有强大数据通讯优势，但由于蓝牙协议主要针对的是数据交换 及语音信号传输( 如无线电话与p c 卡，耳机与桌面设备的连接) ，其典型传输 距离在1 0 m 以下，主要适合用于室内，而不适合于煤矿应用中，并且同z i g b e e 协议相比，有协议过于复杂、芯片成本较高的缺点。 4 z i g b e e 技术z i g b e e 技术是主要应用于自动控制领域的一种近距离、 低复杂度、低功耗、低数据传速率、低成本的双向无线通信技术。主要工作在 i s m 2 4 g h z 频段，传输典型距离为3 0 m 左右，最大可达7 0 m ，如果发送端外接 功率放大器提高发射功率，接收端外接低噪声放大器提高接收灵敏度，通信距 离可扩展到几百米甚至上千米。同时，z i g b e e 协议比蓝牙、g s m g p r s 或8 0 2 1 l x 无线局域网协议更加简单实用。主要应用在短距离范围，并且数据传输速率不 高的各种电子设备之间，传输数据类型有周期性数据( 如传感器数据) 、间歇 性数据( 如照明控制) 和重复性低反应时间数据( 如鼠标动作) ，z i g b e e 技术 的主要特点是： 数据传输速率低，只有1 0 k b p s 2 5 0 k b p s ，专注于低传输应用； 功耗低，工作周期短，收发信息功耗较低，在低耗电待机模式下，两节普 通5 号干电池约可使用6 个月以上： 成本低，模块的初始成本估计为5 美元左右，很快就将降到1 5 2 5 美元； 网络容量大，每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备： 时延短，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，设备搜索时延典型 值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值是1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m s t l 5 i 。 通过表2 - 1 对几种主要无线通信技术的比较，特别是在z i g b e e 与同为 2 4 g h z 频段的蓝牙技术的比较中，可以看到，蓝牙的传输距离小于1 0 米，这 哈尔演理t 人学1 - 学坝i 。f z 论乏 在大一点的网络中是一个极大的障碍，而z i g b e e 的典型传输距离为3 0 米，非 常适合网络的建立；其次，在一个蓝牙网络中最都多容纳8 个节点，而一般网 络中需要更多设备节点，z i g b e e 的每个协调器可以容纳2 5 5 个节点，一个z i g b e e 网络最多可容纳6 5 5 3 5 个节点；最后，蓝牙模块的成本较高，功耗与z i g b e e 相 比要大很多。虽然蓝牙的传输数据速率要大于z i g b e e ，但是z i g b e e 的传输速率 2 5 0 k b p s 在煤矿安全监测系统中已经够用。因此，z i g b e e 比较适合用于无线煤 矿安全监测系统。 表2 - 1 几种无线技术的比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s i o no fs e v e r a lw i r e l e s st e c h n o l o g i e s z i g b e e8 0 2 1 5 4 b l u e t o o t h w i f i8 0 2 1l b g p r s g s m 应用范围8 0 2 1 5 1 短距离 监视与控制w e b 、视频、e m a i l语音与数据 有线的替代品 系统资源 4 k b 一3 2 k b2 5 0 k b +1 m b +1 6 m b + 电池寿命( 天) 1 0 0 1 0 0 0 + 1 7 1 5 1 7 传输速率( k b s ) 2 0 2 5 01 0 0 01 1 0 0 0 +4 0 1 5 0 通信距离( m )1 - 7 5 +1 1 0 +1 1 0 0 1 0 0 0 + 可靠、传输质量好 优点低成本、易操作高速、适应性强 低功耗、低成本分布地域广 2 2 2 系统的总体方案 通过以上各种通信方案的比较，每种通信方式各有优缺点。本着造价低， 性能可靠的原则，在系统的整体设计结构中的通信部分分成主干巷道和各个小 巷道来分别考虑，给出本系统的整体结构设计。在主干道上用电力线载波，而 在分巷道里用z i g b e e 无线传感网络技术，煤矿的总体结构示意图如图2 - 1 所示。 在各个小巷道中用z i g b e e 技术组成无线传感网络，传感器网络包括地面监 控中心、有线骨干网、无线网关节点、传感器节点。传感器大致分为两类：一 类是静态节点( 环境参数的监测) ，这类节点一般分布在固定的位置，负责感 知该位置周围的环境信息；另一类是动态节点( 监测人的生理信号和环境参数) ， 该类节点由工人随身携带，一方面在事故发生的时候能够判断人的生理状况， 另一方面可以感知工作面的现场信息。节点采集到的信息通过自组网的方式实 时地传送到无线网关节点，网关节点负责完成数据的收发和网络状态的监控， 同时它还负责数据处理、融合和存储处理后的数据通过有线骨干网发送到地面 监控中心，由监控平台实时显示环境参数和人的状况。 图2 1 整体结构设计示意图 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r a ls k e t c hm a p o fo v e r a l ls t r u c t u r e 电力线是动力线，但同时可以作为通信线，以电力线作为传输介质主要具 有无需另外铺设通信网络、覆盖面广、使用方便、永久在线、投资少、安装周 期短、运行维护成本低、线路机械强度高、抗破坏力强的优点。所以本文的有 线骨干网由电力线作为主要的通信链路，根据巷道的实际布局和需要以及检测 工作面的变化分段进行铺设。无线网关节点，它为无线数据提供接入服务，同 时它也为网桥提供数据转发功能。由于外部网络与无线网络的通讯介质差异， 所以需要一个网关，把无线网络与有线网络有机的相连在一起。无线系统需要 做的就是每个节点记录自己的一跳邻居节点和网关节点的地址，需要与外界通 讯时通过多跳路径将数据发送给网关即可。传感器网络节点，一般由电池供电 或用工人随身携带的蓄电池供电，具有数据采集和无线路由功能。节点采集所 处位置的瓦斯、温度、风速、甲烷、一氧化碳、煤尘、矿尘、人体生理信号等 合尔演婵t 人学1 - 学硕i 学位论文 数据，并将这些数掘处理后，按照z i g b e e 网络协议封装成数据包传送给其他路 由节点或无线网关节点。传感器节点根据是否经常移动，分为相对固定节点和 移动节点两类，相对固定节点主要安排在工作面的固定位置，用于采集工作面 的环境数据，转发其它节点的通信数据，保持无线链路畅通；移动节点主要用 于每个作业工人或作业机器所处位置的监测以及人的生理信号监测，对于设备 和环境的移动节点可以安装在挖掘机等设备上，还可以随机安装在瓦斯涌出变 化较快的关键位置。对于用于人位置和生理信息的监测的节点装在矿工的身上。 本文主要是针对各个小巷道的无线通信网络和煤矿安全监测节点的设计，以及 针对无线网络的专用的上位机界面的设计等。 2 3z i g b e e 无线传感器网络技术 无线传感器网络是第四代无线通信技术，是融合了传统传感技术与监控技 术的新一代网络技术。无线传感器网络中的大部分节点是静止的，本系统研究 的节点是动态的，网络设备的体积小，功耗低，通过无线方式进行信息传递， 较之传统的传感器而占有着不可比拟的优势，以下是对本文使用的无线传感网 络z i g b e e 协议作详细的介绍。 完整的z i g b e e 协议由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和 物理层组成。网络层以上协议由z i g b e e 联盟制定，i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组负责制 定物理层和数据链路层标准，主要是媒体访问控制层( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ， m a c ) 。 2 3 1 物理层规范 物理层提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口，提供物理层数 据服务和物理层管理服务。物理层数据服务主要完成的功能是：激活休眠无线 收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞 避免( c s m a w i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 进行空闲频道评估、频道选 择、数据的发送及接收等。 1 工作频率和数据传输率i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是 2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。两个物理层都基于直接序列扩频( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 1 1 6 1 ，使用相同的物理层数据包格式，区别在 于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率，具体情况请参见表2 2 。 表2 2i ：作频率和数据速率 t a b l e 2 2w o r k i n gf r e q u e n c ya n dd a t at r a n s m i t i o nr a c e jj ：作频率 频道 扩展参数传输数据参数 物理层 传输率数据 ( m h z ) 数 码片率 调制方式 ( k c h i p s ) ( k b s )符号 二相的相移键控 8 6 8 m h z8 6 8 8 6 8 613 0 02 0 二二进制 凋制( b p s k ) 二相的相位键控 9 1 5 m h z 9 0 2 ，9 2 8 1 06 0 0 4 0二进制 调制( b p s k ) 偏移四相移键控1 6 状 2 4 g h z2 4 0 0 2 4 8 3 5 1 6 2 0 0 02 5 0 调制( o q p s k )态组 2 4 g h z 波段为全球统一的尤需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推 广和生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层通过采用高阶调制技术能够提供2 5 0 k b s 的传输速率，有助f 获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期， 从而更加省电。 8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段的 引入避免了2 4 g h z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m h z 的传输速率为 2 0 k b s ，9 1 5 m h z 是4 0 k b s 。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可 以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的 设备覆盖给定的区域。 2 数据的传输与管理主要是在驱动程序的基础上，实现数据传输和管理。 数据传输包括数据的发送和接收。管理服务包括信道能量监测( e d ) ，链接质 量指示( l q i ) 和空闲信道评估( c c a ) 等【1 7 i ，p h y 层协议还定义了p h y 层与 m a c 层的服务原语。 2 3 2m a c 层 1 m a c 层功能m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层 管理服务。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而 后者从事m a c 层的管理活动，并维护一个信息数据库。m a c 层就本质而占， 实际上是建立在物理传输层之上的原始信息( 比特或字节) 的交互而建立的语 法、句法逻辑实体结构。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的m a c 层协议，提供数据链路层传输服务( m c p s ) 和 管理服务( m l m e ) ，其逻辑模型如图2 2 所示。m a c 层的管理服务主要有信 n 合尔i 宾删- 人学一1 。“61i f j 论之 道的访问、开始和维护p a n 、节点加入退出p a n 、同步、传输事务管理等。 其中p d s a p 是p h y 层提供给m a c 的数捌服务接f ，p l m e s a p 是p h y 层 给m a c 层提供的管理服务接口，而m l m e s a p 是由m a c 层提供给n w k 层 的管理服务接口，而m c p s s a p 是m a c 层提供给n w k 层的数据服务接口。 同样的，m a c 层协议也定义相应的服务原语。 图2 - 2 物理层服务原语 f i g 2 2p h y s i c a ll a y e rs e r v i c ep r i m i t i v e m a c 子层的主要功能包括如下六个方面： 协调者产生并发送信标帧( b e a c o n ) ，普通设备通过b e a c