基于WSN的井下温度监测系统研究

马晓燕

1 系统功能

WSN 即无线传感器网络，是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个自组织网络。该网络可以通过远程控制系统对其进行命令下达和信息收集。系统内各节点均以无线方式通信，避免了有线通信的布线冗繁，适合应用在人工操作不便或具有一定危险性的工作区域。

煤矿井下温度监测系统依靠专用传感器对监测区域的温度进行采集，通过ZigBee 网络完成数据向集中器的汇集。集中器由ZigBee 模块和RS485 总线组成，RS485 接口实现数据向以太网汇集并远程传输到达数据中心。整个网络采用超低功耗设计，有效工作时间最长能达到6 个月。在整个无线通信网络中，各节点使用Mesh 网络架构。Mesh 网络最大的优点是若某一个节点出现故障，其他节点依然能够正常通信，确保系统通信稳定性。

2 系统组成

整个系统由3 大部分组成，即传感器节点、数据汇集节点和中心网关。

传感器节点集成了无线通信模块ATZGB-780F1和TMP122 温度传感器，超低功耗设计，由干电池或锂电池供电。ATZGB-780F1 所需求的物理空间小，有利于降低功耗，大大延长了电池使用寿命；并且开发费用较低，模块内部资源开放性很高，也有利于井下大面积使用。ATZGB-780F1 模块中射频芯片采用的是AT86RF212。该芯片的接收器通路以中低频结构为基础，发送与接收信号处理通路均经过高度集成与优化，以实现低功耗的目的。TMP122 温度传感器适于恶劣环境的现场温度测量，其特点主要表现在测温范围在-40℃～150℃之间，在0℃～65℃范围内测量精度能达到0.5℃，即使在整个测温区间内的测量精度也保持在1℃以内。传感器节点实物见图1。

图1 ATZGB-780F1 传感器节点实物

数据汇集节点集成了ATZGB-780F1 模块和RS485 通信接口，低功耗设计，采用镍氢电池供电。

中心网关采用通用计算机，安装系统管理软件，获取传感器网络数据，并进行分析和存储。

3 工作流程

整个监测网络由多个区段网络组成，各区段网络通过RS485 总线与数据中心进行连接。各区段的传感器网络以ZigBee 协议方式连接。

中心网关上电后，通过RS485 总线向数据中心获取时间信息，等待传感器节点和数据汇集节点入网，整个网络开始初始化。网络初始化完成后，所有节点进入严格的时钟同步，集体休眠。定时时间到后，传感器节点从休眠状态进入正常工作状态，读取传感器采集的温度信息后向网关汇集，数据报完后，传感器节点休眠，网关通过RS485 向数据中心上传数据，完成后进入休眠。

对于传感器节点内部来说，节点上电后，注册入ZigBee 网获取相关信息后进入休眠状态。定时时间到，ATZGB-780F1 模块CPU 被唤醒，CPU 唤醒传感器，等待传感器完成数据采集后，将数据收集起来并存储，发送命令使传感器进入休眠，同时将传感器数据通过ZigBee 网络上传到主节点，数据传输完成，节点再次进入休眠，等待下一次传输周期。

数据中心向各区段网络发送时间参数取值范围为1 min～65 534 min，各传感器节点以该配置为周期，向数据中心上报传感器所采集的温度信息值。

4 现场应用

将WSN 网络应用于煤矿之中，其中一个重要目的是为了解决在井下某些复杂环境下，实现自动监测功能，减少人工操作。WSN 网络在煤矿安全生产中，采空区温度自动监测是一重要应用。

在开始现场试验前，各井下设备均已获得煤安认证。井下工作的各节点稳定性已测试，每个节点电池在2 h 发送1 次数据的监测频率下能够工作180 d。现场试验于同煤国电集团同忻矿顺利完成，传感器节点采用预埋的方式，具体布置方式和WSN 网络系统构成见图2。

当埋入采空区后，通过多跳无线传输，将各节点所测温度信息汇总于数据汇集节点，数据汇集节点随工作面的推进而不断移动。随着监测区域的扩大，不断有新的传感器节点加入到监测网络之中。每当有新的节点加入，中心网关会自动组网，建立新的监测网络。传感器节点监测的温度信息最终通过所连接的同忻矿以太环网系统上传至地面监测中心。

图2 传感器节点布置方式及WSN 网络系统构成

由于条件所限，在为期20 d 的现场试验中，传感器节点置于3 mm 厚的铸铁壳内，因此在煤层垮落时得到了较好的保护。埋入节点工作正常，按照时间要求发送监测数据，组网效果良好。节点之间无线通信距离保持在5 m 左右。实时监测数据界面见第17页图3。

在20 d 的监测数据中，各节点日监测温度去均值得到图4 所示的温度曲线（见第17 页图4）。由数据曲线可看到，采空区温度趋于平稳，温度值始终保持在警戒值以下，无火源征兆，达到了对采空区温度实时监测的目的。

5 结束语

将无线通信技术手段应用于矿井安全生产监测监控中，不仅有利于提高监测的准确性、时效性，而且对于井下一些人员出入不便的区域也可实现自动化监测，在一定程度上减少了监测死角带来的安全隐患。目前，针对煤矿的无线通信技术主要应用在井下人员无线定位、水文监测、气体浓度检测及温度自动监测当中。随着通信技术的发展，会有越来越多的先进技术应用于煤矿安全生产监测监控之中，为矿井实现现代化生产给予技术支持。

图4 同忻矿采空区温度曲线

[1]刘彬.煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络的实现.北京：北京交通大学出版社，2008.

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