（通信与信息系统专业论文）基于opm15技术的矿井无线监控系统的设计.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于o p m l 5 技术的矿井无线监控系统的设计 摘要 现阶段，国家以及地方政府对矿井的安全生产作业的关注程度达到了很高的程度，但 是我们经常看到报纸新闻关于矿井瓦斯爆炸的信息以及人员伤亡的情况，在事故发生后的 救援工作不能很快及时的实施，也不能实时对矿井的气体环境状况进行监控。 针对目前矿井安全生产存在的上述问题，本论文介绍了以无线传感器网络o p m l 5 技 术为平台的矿井监控系统的设计与实现，通过无线通信的方式，实现了地面监控管理中心 对矿井工作人员的实时通信与有毒气体环境监测。该矿井监控系统主要由气体浓度采集部 分、信号放大部分、无线通信传输部分、数据处理采集通信部分以及监控中心组成，实现 了矿区监控、定位、通信以及报警的有效结合。 在本系统研究设计中，主要研究的内容有： ( 1 ) 首次将o p m l 5 无线通信技术应用矿井环境监控系统中，该技术的引入使得矿井 矿井监控报警系统大大降低了瓦斯爆炸发生的概率以及大大降低了人员的伤亡；并且可以 对矿区进行实时的监控和通信，有效地提高了事故发生后抢险救灾的效率，使经济损失达 到最低。 ( 2 ) 矿工手持终端设备部分采用飞思卡尔公司生产的h c s 0 8 系列单片机，型号为 m c 9 s 0 8 d z 6 0 作为本部分数据处理的核心，并与o p m l 5 无线射频模块相结合，使得终端 设备气体传感器采集到的数据经过m c u 进行处理以后，然后经过射频o p m l5 模块进行发 送出去，从而每个手持终端设备都具有数据采集处理能力和无线通信的能力；保证了矿井 环境的气体浓度实时的发送出去。 ( 3 ) 矿工手持终端设备软件部分主要由有毒气体检测处理部分、无线o p m l 5 射频收 发模块、l c d 显示部分以及声光报警部分组成：初始化程序主要是对单片机、o p m l 5 射 频芯片、气体传感器、l c d 显示器、a d 转换等进行处理；系统的功耗设计通过软件来实 现，比如使m c u 、o p m l5 模块和传感器的工作方式可以随时切换到休眠或者正常工作模 式。 ( 4 ) 矿井数据通信处理采集部分采用基于g p r s 与g p s 相结合的通信方式，它是矿 浙江工业大学硕士学位论文 井工作区域与上层监控中心通信的桥梁，主要功能是收集矿井的气体浓度信息以及报警信 息，对这些数据信息进行处理，并附加上自身定位的矿区信息进行打包发送至中央监控中 心。 ( 5 ) 最后完成了中央监控中心软件的编程，监控中心运行在w i n d o w s 操作系统上， 使用c 撑语言，编译环境为v s 2 0 0 8 ；在监控中心的软件平台上可以动态的实时监测矿区的 工作环境状况，实现了对矿井的管理与监控。 最终经过试验和应用结果可以看出，该矿井无线监控系统可以实时的监控矿区的工作 环境状况，具有成本比较低，工作比较可靠稳定的特点，并且本矿井监控系统中的矿工手 持终端设备将会成为矿井工作人员随身携带的比较安全便捷的检测设备。 关键词：无线矿井监控，o p m l 5 无线通信技术，有毒气体检测，无线自组网技术， g p r s 通信技术 浙江工业大学硕士学位论文 d es i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw i r e l es s m i n em o n i t o l u n gs y s t e mb a s e do no p m15 t e c h n o l o g y a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h es t a t ec o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o ne m p h a s i sh a si n c r e a s e dt ou n p r e c e d e n t e d h e i g h t s ，b u tm i n ep r o d u c t i o ns a f e t ya c c i d e n t so f t e no c c u r , a n da f t e rt h ea c c i d e n t ，p o o rr e s c u ea n d d i s a s t e rr e l i e fe x p o s e dt oal a r g ee x t e n ti nt h ec u r r e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ，s u c ha st h em i n es t a f f t om a n a g ei ti sd i f f i c u l tt om a n a g et h es t a f fa n dc a nn o tb er e a lm i n ee n v i r o n m e n tc h a n g e s 嘶sp a p e ri n t e n dt or e s o l v et h ea b o v ei s s u e s ，d e s c r i b e st h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t e c h n o l o g ya sap l a t f o r mt or e a l i z em i n em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t l l i s s y s t e mc o n s i s t so fd a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e m ，d a t ap r o c e s s i n gs u b s y s t e ma n dt h eg r o u n dc o n t r o l c e n t e r t h ed a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e ma c q u i s i t i o no fm o b i l es e n s o rt e r m i n a lt oc o l l e c td a t a , t h e n s e n d st h ed a t at ot h ed a t ap r o c e s s i n gs u b s y s t e m ，w h i c hc o m p l e t et h ea n a l y s i so ft h ed a t a p r o c e s s i n g ，a n df i n a l l y s e n dt h er e s u l t st ot h em a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，t h e nc o m p l e t et h e m o n i t o r i n go ft h em i n ew o r k i n ge n v i r o n m e n t a n da l s oc a nb er e a l i z e do nt h eu n d e r g r o u n d i m p o r t a n ti n s t r u m e n t sf o rr e a l t i m em o n i t o r i n ga n dp r e d i c ta c c i d e n t i nt h i sp a p e r ，t h em a j o rc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , u s e0 p m 15w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yu s e di nm i n em o n i t o r i n gs y s t e m ， t h e nr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fo c c u r r e n c eo fg a se x p l o s i o na n dg r e a t l yr e d u c e dt h ec a s u a l t i e s ，a n d a l s oc a l lb em o n i t o r i n gt h em i n i n ga r e aa n dc o m m u n i c a t i o ni nr e a lt i m e ，s o i m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fr e s c u ea f t e rt h ea c c i d e n t ，t h ee c o n o m i cl o s s e sw i l lh a v er e a c h e dam i n i m u m s e c o n d l y , m i n e r sh a n d h e l dd e v i c ed e s i g na d o p t st h em s 9 s 0 8 d z 6 0c o n t r o l l e ra st h ed a t a p r o c e s s i n gc o r ea n dc o m b i n a t i o nw i t hw i r e l e s sr fm o d u l eo p m l5 ，t h em i c r o p r o c e s s o rp r o c e s s t h ed a t aw h i c hc o m ef r o mg a ss e n s o r , t h es e n tb y0 p m 15 s ot h a te a c hh a n d h e l dd e v i c e sh a v e t h ea b i l i t yo fd a t aa c q u i s i t i o np r o c e s s i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt oe n s u r et h e g a s c o n c e n t r a t i o no ft h em i n ee n v i r o n m e n tb es e n ti nr e a l t i m e n l i r d ，t l l es o f t w a r eo fm i n e r sh a n d - h e l dd e v i c e si n c l u d et o x i cg a sd e t e c t i o np r o c e s s i n g i i i 浙江工业大学硕士学位论文 s e c t i o n ，w i r e l e s sr ft r a n s c e i v e rm o d u l e ，l c dd i s p l a yp a r ta sw e l la ss o u n da n dl i g h ta l a r m c o m p o n e n t s ；t h es o f t w a r ei n i t i a l i z a t i o np r o c e s si se s s e n t i a l l ys i n g l em a c h i n e ，o p m l 5c h i p ，g a s s e n s o r ，l c dd i s p l a ya n da dc o n v e r s i o n ；t h es y s t e mp o w e rc o n s u m ed e s i g na l s ot h r o u g h s o f t w a r e ，s u c ha ss w i t c hm c u a n do p m l5 sw o r km o d u l e f o u r t h ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nc o l l e c t i o np r o c e s s i n gp a r tu s i n gg p r sa n dg p s ，t h i sp a r ti s t h eb r i d g eo ft h em i n ew o r k i n ga r e aa n dt h em o n i t o r i n gc e n t e r ，i t sm a i nf u n c t i o ni sc o l l e c tm i n e g a si n f o r m a t i o nt o g e t h e r 、i t i li t sp o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o nt h e ns e n tt oc e n t r a lm o n i t o r i n g c e n t e r f i f t h ，f i n a l i z et h ep r o g r a m m i n go ft h ec e n t r a lm o n i t o r i n gc e n t e r , t h em o n i t o r i n gc e n t e rr u n o nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ，u s i n gt h ec 撑l a n g u a g e ，c o m p i l e re n v i r o n m e n ti sv s 2 0 0 8 ；i nt h e m o n i t o r i n gc e n t e rp l a t f o r mc a nb ed y n a m i cm o n i t o r i n gt h em i n i n ga r e a se n v i r o n m e n ts i t u a t i o n i nr e a l t i m e k e yw o r d s ：w i r e l e s sm i n em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，t o x i cg a sd e t e c t i o n ，o p p o r t u n i s t i cm e s h n e t w o r k s ，w i r e l e s sa n dh o cn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , g p r sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 矿井无线监控系统研究的目的和意义 煤炭开采工业在我国国民经济建设中占有很重要的低位，但是最近近几年来，矿井开 采过程中的瓦斯泄露等安全事故经常发生，造成了巨大的人员伤亡、经济损失以及非常恶 劣的社会影响。国家在“十一五”规划【l 】中，提出了通过科学技术创新的方式来解决和预 防矿井发生重大灾害的措施，以此建设高效、安全的矿井监控生产系统；而矿井安全监控 系统与事故发生后如何快速实施救援工作最首要解决的问题1 2 j ；但由于矿井环境的特殊性 以及监控区域的流动性比较大，与传统的有线生产监控系统相比，矿井无线安全监控系统 具有的特点有“即铺即用 1 2 j 、可在任意时刻任意地点在矿井区域构建移动通信网络以及 实时监控，这样可以随时把监控数据发送到地面监控中心，可以立即实施救援与实时监控 工作，极大地提高了工作效率；并且当矿井区域发生事故时候，即使现有通信系统遭到破 坏，也可利用现有无线网络资源进行快速的组网，随时动态地掌握井下工作人员的分布以 及环境情况，及时的保证了地面监控中心与抢险工作的实时通信，极大地提高了抢险搜救 的效率。 但是由于矿井下的环境比较差，比如潮湿、易爆、易燃【3 】等问题；矿井安全生产一 直是国家和社会经常关注的问题，目前遇到的问题是如果当矿井出现危险情况时，监控中 心工作人员如果能立即知道出事故区域以及有毒气体浓度情况，则可以立即开展有效的抢 险救灾工作，可以有效的保障矿区工作人员的人生安全以及减少经济损失。 最近几年随着无线通信技术的迅速发展，也促使加快了矿井无线通信监控方案的发 展，比如目前比较流行的z i g b e e 技术，它是一种新兴无线网络通信技术，主要特点是短 距离、复杂度比较低、低功耗、低数据速率以及成本比较低；但由于其通信距离短、覆盖 范围与可靠性比较低，在强的干扰下，数据吞吐量也比较小，健全性与可靠性方面不太强 大，并且在多跳可伸缩性组网时，数据吞吐量也比较小，也不支持实时跟踪功能，功耗也 比较大。在这种背景下，提出基于o p m l 5 技术的矿井无线监控系统的设计；通过研究设 计，使o p m l 5 无线通信技术应用到矿井无线监控通信系统中，满足了矿井人员监控系统 管理的需要，同时也在很大一定程度上提高了矿井抢险救灾的效率。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2国内外关于矿井无线监控系统研究的现状 目前随着无线通信技术的快速飞跃发展，应用于矿井无线监控的技术也随着发展进 步，从矿井监控系统的发展过程我们可以看出每一种无线通信技术都使矿井无线通信监控 系统上了一个新的台阶。由于矿井环境比较恶劣，这一特殊性下决定了矿井无线通信技术 主要以下几种，主要有红外线【4 1 技术、超低频通信【5 1 技术、v h f 漏泄通信技术【6 】、双音多频 通信和z i g b e e 技术【7 遗】等。 红外线技术是最早应用于矿井下监控的技术之一，技术也相对比较成熟，主要用于矿 井下环境温度的探测以及有毒气体浓度的测量；但由于它的传输距离通常只有3 1 0m ， 不能满足矿井区域监控定位的要求。 超低频通信技术的电磁波传播媒介是大地，它是一种无线电波穿透大地的无线电通信 方式：这种通信方式存在很多以下缺蒯5 1 ：比如信道容量小、电磁干扰比较大以及应用范 围受到限制等缺点f 9 】，因此也不能用于矿井监控通信系统中。 漏泄通信系统6 。1 0 l 是利用漏泄电缆的漏泄原理来实现矿井无线通信。由于电磁波在漏 泄电缆中既沿内外导体纵向传输并且也通过开孔向外辐射，延长通信距离和覆盖面积的方 式是使用具有良好导引辐射性能的漏泄电缆。它与一般的无线通信技术不同，主要缺点是 信号衰减程度随着电缆长度的增加而增加，并且信道利用率也不高。 z i g b e e 1 2 j 3 】无线通信主要应用于低速率数字传输，它的实时性定位功能不能满足矿 井监控的需要，更不能满足矿井事故发生时快速救援的迫切需求。 矿井工作环境的特殊性决定了它与一般的地面工作环境不同，具体有以下几个方面的 特点： ( 1 ) 电气防爆性 矿井环境下存在具有可燃性气体和粉尘，决定了手持终端设备要具有防爆功能，并且 还要采取安全性比较好的防爆措施。 ( 2 ) 传感器质量要高 据统计，国产安全检测用c h 4 几乎全部采用载体催化元件。而其一直存在使用寿命短、 工作稳定性差和调校期频繁的缺点，严重制约瓦斯正常检测。 ( 3 ) 节点定位所需要的时间要短 ( 4 ) 节点定位带来的通讯开销要小 ( 5 ) 抗故障能力要强 由于矿井环境条件的恶劣性，并且机器设备发生故障的概率也比较高，因此矿井监控 浙江工业大学硕士学位论文 设备要具有很强的抗干扰能力及抗故障能力。 ( 6 ) 电源电压波动适应能力要强 矿井电源电压波动范围比较大，一般在7 5 1 1 0 之间，最高甚至可达7 5 - - - 1 2 0 ， 决定了矿井监控通信设备应具有很强的电压纹波适应能力。 ( 7 ) 传感器节点都是电池供电，并且功耗也比较大，如何高效地使用能量来使网络生 存时间长或者提供网络能量效率是一个比较关键的问题。 正是由于矿井环境的特殊性，因此能应用于矿井通信监控系统的的无线技术也非常有 限，因此需要寻求一种较为理想的的矿井无线通信技术。 1 3 基于o p m l 5 技术的矿井无线监控系统 基于目前的矿井无线通信技术的不足，本文提出了适机认知无线自组网i n ( o p p o r t u n i s t i cm e s hn e t w o r k s ，o p m l 5 ) 的通信技术，该技术将解决矿井等特殊场合定位 的问题，其特点是能高效的为现场人员管理和事故搜救提供便捷、稳定、实时的定位监控 服务，并且系统功耗比较低。 适机无线自组网o p m l 5 t h 】技术具有实时性无线多跳的通信方式、传输距离远、功耗低、 高抗干扰性并能能满足实时监控定位的特点，并与8 0 2 1 5 4 t 1 5 - 1 6 1 和t c p i p 协议标准兼容。它 是通过动态地建立无线网络，并不需要固定的网络路由路径、拓扑结构、和无线链路频道 分配，大大方便基站快速布网。在大规模无线网络中建立稳定可靠的( 多跳) 无线通信， 保证信息传输的实时性，在布网环境发生突然变化( 例如灾害事故等) 的情况下，无线网 络工作不受影响。 1 4 本论文主要工作内容安排 本课题为“基于o p m l 5 无线矿井监控系统的设计”的项目，主要完成了以下研究工 作：1 ：基于o p m l 5 技术的矿井监控系统的解决方案以及该方案的架构设计，2 ：矿井有 毒气体采集无线监控电路的硬件设计以及软件设计；3 ：基于g p s 与g p r s 数据通信处理 采集通信电路的设计与实现；4 ：监控中心上位机界面的设计与实现。 基于设计研究的主要工作，本论文的内容安排如下： 第l 章为绪论。以矿井无线通信监控技术为发展背景，介绍了各种无线通信技术在矿 井中的应用以及目前矿井无线监控系统的特点；此外还介绍了论文的主要工作和内容安 排。 3 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章为o p m l5 无线通信技术的特点及系统方案。概述了o p m l5 无线通信技术的 的特点及优势，详细介绍了无线多跳自组网传输原理以及系统无线监控定位原理，最后提 出了矿井无线监控系统中的解决方案并论述了可行性。 第3 章为矿井气体采集无线监控电路的设计。介绍了矿井有毒气体采集无线监控电路 的设计，该部分在整个矿井气体监控系统中起着至关重要的作用，主要分别叙述了气体采 集电路的设计、无线o p m l 5 技术通信电路的设计、电源管理电路的设计以及m c u 数据 处理部分的设计；最后也详细介绍了电路的版图设计、系统的软件构成以及系统抗干扰设 计方法。 第4 章为矿井数据通信处理采集电路的功能架构。阐述了该部分在整个矿井监控系统 中的功能架构，并对实现数据通信处理采集部分的关键技术g p s 卫星定位以及g p r s 无 线通信技术也进行了介绍。硬件部分主要针对m c u 的外围电路、g p r s 无线数据通信电 路以及g p s 信息采集电路进行了分析介绍；软件部分主要包括m c u 对接收到的g p s 卫 星数据的解析，g p r s 模块的初始化。 第5 章为监控中心软件设计以及实现。主要介绍了无线通信模块的调试方法以及监控 中心定位的设计及实现。 第6 章为结论与展望。对整个课题所做的工作作一个总结性陈述和展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章o p m l 5 无线通信技术的特点及系统方案 目前随着国家对矿井安全重视程度的提高，矿井监控安全技术的研究也随着不断深 入，但伴随着也存在许多问题，比如各矿层系统间不能实现信息资源共享、不能实时监控 矿井工作区域的状况、出事故节点定位所需时间过长、节点定位所带来的通信开销比较大、 可扩展性比较差、以及定位网络节点生存寿命比较短；而低功耗、短定位时间、高定位精 度的o p m l 5 自组网通信技术顺应了这种要求；本章将对这种适用于矿井无线监控的无线 自组网通信技术进行分析。 2 1o p m l 5 无线通信技术的特点及优势 o p m l 5 ( o p p o r t u n i s t i cm e s hn e t w o r k s ) 技术【1 4 1 是一个大规模的认知无线网络通信技 术，其主要特点是：工作频率是2 4 g h z ；数据吞吐量可以达到1 0 0 k b p s ；功耗比较低( 工 作功率6 0 m w ，休眠功率4 u w ) ；支持功率控制功能( 从1 8 d b m 到5 d b m 的射频输出功 率) ；具有宽电压输入范围( 2 v - 3 6 v ) ；支持动态的网络协议栈；并且具有实时性无线多 跳的通信方式、传输距离远、功耗低、抗干扰性能高、并能满足实时定位的特点；并与 8 0 2 15 4 1 1 5 - 1 6 1 和t c p i p 协议标准兼容。 o p m l 5 技术通过动态地建立无线网络，并不需要固定的网络路由路径、拓扑结构、 和无线链路频道分配，大大方便了基站快速布网。在大规模无线网络中建立稳定可靠的( 多 跳) 无线通信，保证信息传输的实时性，在布网环境发生突然变化的情况下，无线网络工 作不受影响。就定位无线网络通信而言，o p m l 5 核心竞争力如下： ( 1 ) 适机动态地使用网络资、源【1 4 】，主要包括频谱资源和无线站点； ( 2 ) 动态大规模的智能快速组网，每网关最多可以支持6 5 5 3 5 个节点； ( 3 ) 即设即用的布网和运营，具有毫秒级组网时问： ( 4 ) 实时的高品质无线通信，带宽稳定； ( 5 ) 低复杂度和低功耗； ( 6 ) 高效抗干扰特性，直接使用免授权频段。 o p m l 5 技术与现有无线通信方式比较如表1 2 1 浙江工业大学硕士学位论文 表2 1各种无线通信技术的比较 z i g b e e w i f ir f i d i l 7 lo p m l 5 覆盖范围可靠性距网关大约距放大器大约距阅读器大约无线多跳，不受限制 1 0 5 0 m1o o 2 0 0 m5 1 0 m 定位精度 5 m5 0 m5 m5 m 实时跟踪不支持简单支持 不支持支持 无线通信支持支持不支持支持 功耗 l o 5 0 m w l wn ，a 4 0 r o w 成本低 中 高( 阅读器) 低 衡量o p m l 5 自组网模块性能的主要参数有以下几点： ( 1 ) 组网可伸缩性s c a l a b i l i t yt e s t s ：是在多跳通讯情况下，衡量o p m l 5 的吞吐量的 一个参数；在多跳通信时，o p m l 5 数据包可以适机的根据中继在瞬间的实际可用情况， 来进行通信。 ( 2 ) 安全性n e t w o r kl a y e rs e c u r i t y ：o p m l 5 提供链接层安全机制，阻止任何没有1 2 8 位有效p a s sc o d e 的节点进入网络，或者发送接收数据包。 ( 3 ) 抗干扰性i n t e r f e r e n c et e s t s ：用来衡量在外界干扰的环境下o p m l 5 的性能，其 吞吐量依然很好。 ( 4 ) 健全性与可靠性( r o b u s t n e s sa n dr e l i a b i l i t y ) ：随机向节点发送随机生成的错 误数据的情况下，o p m l 5 网络性能依然表现良好。 正是由于基于o p m l 5 无线通信技术具有以上特点和优势，此种无线通信技术可以解 决矿井等特殊场合的定位通信问题，其特点是能为现场人员管理和事故搜救提供便捷、稳 定、实时的位置服务。 2 2 无线多跳自组网传输原理 o p m l 5 通信采用无线多跳自组网的通信方式，其无线多跳自组网传输图示如图2 1 。 6 浙江工业大学硕士学位论文 传感网络节点 图2 1 无线自组网传输原理 无线多跳自组网【m 2 1 是由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成，它可以在 任意时刻任意地点快速构建的一个多跳的临时性无中心的网络，其主要特点是网络拓扑结 构可以动态的变化、无中心网络具有白组性以及多跳路由。另外由于两个通信节点之间常 常没有直接固定的链路，两个节点要通信时候，就需要其他中继节点的转发，因此无线自 组网中的多跳路由技术是比较重要的【l 引。 由于任何节点在无线自组网络中都可以移动1 1 8 - 2 2 1 ，因此，频繁的网络拓扑结构变化必 然消耗很多的带宽和处理时间，当拓扑结构发生改变后，为了使网络快速的回到原来的收 敛状态，减少多跳路由的寻径时间及带宽的利用效率，必须具有有效的路由协议，以此来 减少拓扑结构频繁变化所带来的网络开销。另外多跳路由技术的实现是由各个普通节点共 同完成的，这样有效降低了节点的发射功率。而对于大规模网络中，在每个节点有限发射 功率的前提下，无线多跳自组网技术所面临的问题是如何组织数据以及有效的远距离传输 数据。在此无线自组网络中，路由算法( 网络层) 需要实现以下功能：能感知网络拓扑结 构的变化；能动态维护网络拓扑的连接，更新链路的状态；能快速收敛，快速处理拓扑的 变化，发现路由。o p m l 5 无线自组网传输原理如图2 2 。 月络通信方式 同络通信方式 资源 图2 - 2o p m l 5 自组网传输原理 它是一个大规模无线认知网络，通信方式主要采用适机频道访问( 一旦发现有适合空 7 浙江工业大学硕士学位论文 闲的频道，就立即使用) 和适机无线电使用，使用的资源主要有频道带宽和无线站点无 线电。 2 3 矿井无线监控定位系统方案 由参考节点发送给定位节点的数据包中，要包含参考节点的水平位置坐标x 和垂直 位置坐标y ，其中r s s i 值可由接收节点计算得到；图2 3 为矿井无线定位系统原理框图。 主机 l 数据采集处理通 r 信( 协调辨) 参考节点 移动节点 图 该无线定位系统框图中各部分的作用如下： ( 1 ) 主机：也就是一台普通的p c 机，负责接收数据通信处理采集( 也即协调器) 部分采集的数据，实现对整个矿井区域的监控，通过上位机软件可实时观察各个定位节点 和参考节点的当前工作状态。 ( 2 ) 数据通信处理采集部分：主要负责把矿工的节点坐标及有毒气体浓度参数信息 传送给中央监控中心。 ( 3 ) 参考节点：在矿井定位监控系统中充当路由器的角色【2 3 1 ，并且它的坐标由用户 预先设定，并为该矿井监控系统的定位节点提供自身的坐标以及r s s i 平均值。在一个所 要定位的系统中，通常由8 个参考节点组成，至少需要3 到4 个参考节点才能进行定位。 本监控系统中参考节点采用o p m l 5 来实现。 ( 4 ) 定位节点：也即是移动节点，其内部具有定位搜索引擎，能够根据参考节点提供 的坐标和r s s i 平均值计算出自身的精确位置，然后把该坐标以及定位节点标识号发送给 网关。通过数据通信处理采集部分与中央监控中心一起形成一个动态直观的监控系统。 在移动自组网中，要确定某个节点的位置，节点的信息类型包括距离信息和角度信息， 8 浙江工业大学硕士学位论文 获得节点信息的常用方法有r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) ，t d o a ( t i m ed i f f e r e n c e o na r r i v a l ) t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) ，d o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 和a o a ( a n g l eo fa r r i v a l ) 。 由于矿井环境的特殊性，矿井井下各个通道充满了各种噪声，因此基于t o a 、 t d o a | 2 4 - 2 7 1 的定位方法是不适合这样的环境，另外也不适合采用基于a o a 的定位机制。 因此本系统主要采用基于r s s i 的距离测量方法。；r s s i 根据源节点与接收节点的信号强 度，来计算出射频信号在传播过程中的消耗，然后使用理论或经验的信号传播衰减模型， 将传播损耗转换为距离，最后再利用三边测量法或者最大似然估计法来进行定位计算，本 系统主要采用平均均值的方法来进行定位。 o p m l 5 芯片内置获取r s s i 功能的命令，可以通过m c u 向其发送s e t a d d r e s s ， g e t a d d r e s s ，r e a d r x t 2 8 1 这三条命令，即可获得r s s i 值。这三条命令解释如下： s e t a d d r e s s ：当通过串1 3 向模块写0 x 0 5 时，模块一旦收到此命令，如果系统处于 空闲模式，模块会返回0 x 8 5 。否则模块会返回0 x 0 5 。 主机一旦收到0 x 8 5 ，主机回在网络地址设置字节之后发送一串四字节0 x f d0 x d e 0 x e d0 x a b 。由主机来配置模块的网络地址：第一字节应该包括网络的i d ( 前2 个比特) 和节点的i d ( 最后6 个比特) 。第2 和第三字节( 0 2 5 5 ) 表示节点的x ，y 坐标。任意 一个有效的网络地址的第一字节必须是非零的。模块必须具有一个有效的网络地址来发送 和接收数据包。当使用动态网络配置时，相邻接点要具有不同的节点i d 。默认复位时网 络地址是m e s h 地址，被保存在闪存里。然而使用此命令并不会改变保存在闪存里的地 址。 g e t a d d r e s s ：m c u 通过串口向其发送此命令( 0 x 8 6 ) 来查询o p m l 5 模块的状 态，一旦返回0 x 8 6 ，紧接着会返回一个3 字节的网络地址给m c u 。m c u 即可知道模块 的网络地址。 r e a d r x ：m c u 通过串口向其发送此命令( 0 x 0 9 ) ，一旦o p m l 5 收到此命令并且 在接收缓存里有一个有效的数据包，会返回命令0 x 8 9 ，否则返回0 x 0 9 。成功返回命令 0 x 8 9 以后，模块会通过串口向m c u 发送一个数据包，广播或单播数据数据包帧格式如 表2 2 ，表2 3 。 表2 - 2 广播数据包 nn 15432l0 该字节第7 比 r s s i 值 序列 源地源地源地 控制数据包长 特是c r c 校验 i d址址址 字节度n 浙江工业大学硕士学位论文 表2 3 单播数据包 7654321 0 发射机地发射机地发射机地自身地址自身地址自身地址控制字节数据包 址址址 长度n nn 一11 41 31 21 l1 098 该字节第7 比 r s s i 数据序目的 目的目的源地源地址 源地址 特是c r c 校验值列i d地址地址地址址 其中r s s i 用字节表示，范围为2 5 ( 0 x e 7 ) 至02 5 ( 0 x 1 9 ) 。若r s s i = 0 ，表示7 6d b m ， r s s i = 一2 5 表示1 0 1 d b m ，r s s i = 2 5 表示5 1d b m 。 通过m c u 向o p m l 5 模块发送上述三条命令获得r s s i 值以后，进行一定的算法计 算即可进行节点的定位，以下步骤是为进行节点定位前做准备的。 1 ：固定节点先放在具有正确的自定义固件和地址配置的区域。 2 ：固定节点作为一个链路连接到网络里，并直接通过上位机软软件与计算机通信。 3 ：每个移动的节点都与计算机进行连接。 并且每个固定接点在处理器上储存了自己的定位位置。因此，每个接点都被分配一个 ( x ，y ) 坐标，将被用于计算他们的精确距离和在屏幕上的位置；每个移动的接点周期 性的发出一个特殊的广播，用于进行定位。m c u 一旦收到这个广播，静态接点回发送一 个信息给接收器，信息包括广播的r s s i 值和发送者的地址；接收器收集从静态接点发来 的信息，并且周期性的处理他门，来确定移动接点的大概位置。使用最后几秒内收集的数 据样本( 移动节点，固定节点以及r s s i ) 的值，其中r s s i 用来计算移动节点发出的广播 数据包的信号强度。 基于以上分析，下面的算法是用来计算移动节点对固定节点的相对位置，每个移动节 点重复使用。 l ：由于r s s i 值是在一2 5 到2 5 之间，因此我门在此范围内增加3 0 ，以使范围达到5 到5 5 。 2 ：删除远离标准的值( 一些r s s i 值远离标准) ，是否离群是通过检测每个固定接 点的数据平均值来确定的，使用统计计算的方法。一个简单的方法是通过找到r s s i 值 的平均值和标准方差，删除低于或者高于平均值2 的接点，计算公式为2 1 ： s q r t ( s s l 一踮) 2 + ( 嬲2 一s j 2 ) 2 + ( 码一s 南) 2 + + ( 嬲。一s i ) 2 】 ( 2 1 ) 1 n 浙江工业大学硕士学位论文 当样本数比较小时，在这种情况下，我门可以选择不使用该静态接点的数据，假设所 有数据都是有效的，或者选择部分节点的值作为有效值。由于r s s i 值都受到我门无法控 制的随机事件的影响，影响可能随时发生。删除离群接点，以除去那些仿碍定位的节点。 3 ：跳过没有足够远离固定节点的移动接点，该算法的准确性依赖于静态接点的数量 和从这些节点读出的r s s i 值的精确性。精确计算固定节点少于移动节点3 的网络是不 可能的。显然，静态接点越多越好。如果我门找到了一些移动节点却没有我门需要的有效 静态节点r s s i 值，也要跳过这些节点。 4 ：具有相同信息( 移动接点，静态接点) 的平均r s s i 值对，一般发现的r s s i 平均 值是不回离群的；在这一点上，每个( 移动接点，固定接点) 对将会有一个相关的r s s i 值。 5 ：最后找到所有移动接点的r s s i 值，每个移动节点与固定节点成对的r s s i 值，加 在一起，形成一个整体。 6 ：每个有效固定接点的坐标值是x n 。= e x s t j t a 0 n , r 。s s l 3 t , a k - i o t t ，x 岫畦。是静态节点的位置， 3 j t f 甘t l r s s i 嘶。n 是该路由器给出的r s s i 值，船s i 。t a l 是在上一步中计算出来的，y 。州值也是通过 同样的方法计算出来的。 7 ：e 。和y 。将被用于更新移动接点在屏幕上显示的坐标位置，也就是移动节点的 位置坐标。 另外，更新率可以用来使运动更加光滑平稳，来平衡r s s i 读值的波动。x n 哪2 = l d ( 1 - r a t e ) + 一* r a t e ，其中速率位于0 和l 之间。使用更新速率，当前精确的位置部分 是由先前的位置来决定的，来减少在移动时位置变动带来的速率减小更新时间的开销。 2 4 矿井无线监控系统设计架构 本设计使用通过快速动态地布网的无线自组传感器网络，它并不需要固定的网络路由 路径、拓扑结构、和无线链路频道分配，大大方便基站快速布网，在大规模无线网络中建 立稳定可靠的( 多跳) 无线通信，保证信息传输的实时性，在布网环境发生突然变化( 例 如灾害事故等) 的情况下，无线网络工作不受影响，以实现对进入网络覆盖区域的人员实 时监控定位；本系统工作原理如图2 4 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 协调器 ff rr 涵自6 自邑 图2 - 4 矿井监控定位系统工作原理 监控中心 由上图可以看出无线定位子系统主要由两部分组成：定位基站( 也即路由器) 和矿工 手持终端设备；图中由数个定位基站自主通过无线方式建立了定位网络，并形成一个定位 子系统；各基站之间无需通过有线相连，并可通过电池长时间供电，方便网络布设。每 个基站既是一个传感终端站，也是一个中继站，可将定位及其它传感信息实时传送到监控 平台( 管理子系统) ；进入定位网络覆盖区域的人员，其位置信息快速被附近的基站所捕 获，并通过g p r s 网络将位置信息实时发送给监控中心；监控平台也可将警报信号( 如声 光、语音、数据等) 通过定位网络实时发送给带有手持终端设备的工作人员，从而实现矿 区的无线监控：该方案使用o p m l 5 作为无线通信方式的优点如下： ( 1 ) 自组网：终端设备上电启动后会自动与周围的终端设备组建成一个建立稳定可 靠的( 多跳) 无线通信网络，因此在布网环境发生突然变化的情况下，无线网络工作不受 影响，且网络性能随网络规模的增加而提高。具有很强的抗干扰能力，即使在强外部干扰 的情况下，模块性能比一般同等无线传输模块仍可提高十倍以上。 ( 2 ) 低功耗：由于本系统采用的无线通信模块发射功率仅为l m w ，而且采用休眠模 式，因此功耗极低。终端设备在自动、连续测量的情况下，电池可持续1 4 d , 时工作。 ( 3 ) 延时短：无线网络搜索设备的延时是3 0 m s ，从休眠状态激活的延时是1 5 m s ，因 此通信时延及从休眠状态激活的时延比较短；延时短的特点非常适合矿井监控环境中，可 保证中央监控中心发送的任何紧急命令都能及时被井下人员接收到。 1 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 网络容量大：每个区域可同时存在最多1 2 8 个子网，每个子网最多可容纳2 5 4 个从设备和一个主节点，因此每个区域可存在超过3 2 0 0 0 个终端设备，且组网灵活，适合 煤矿井下空间大，坑道长的特点。 ( 5 ) 信息传递安全可靠：本无线传感网采用基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完 整性检查功能，每个发送的数据包必须等待接收对方的确认信息，若数据包丢失会进行重 发；矿井无线监控系统拓扑结构图如图2 5 。 图2 5矿井无线监控系统拓扑结构图 上图为矿井监控系统拓扑结构图，矿井手持设备终端设备均带有基于o p m l 5 技术兼 容8 0 2 1 5 4 射频的无线通信模块，无线定位子系统( 矿井手持设备) 和监控制中心通过 广域网g p r s 相互连接，本系统所使用的数据通信处理采集部分是无线传感网的重要组成 部分，是终端设备和服务器通信的桥梁，矿工手持终端设备与数据通信处理采集部分之间 通过有线方式进行连接；其主要功能有：收集终端设备的报警信息，定位矿区的精确位置， 然后通过i n t e r n e t