基于物联网技术的三维矿山环境监测系统设计
杨振洲
【摘 要】随着嵌入式移动通信技术的高速发展，针对相关的具体应用场景，设计出了低功耗、数量庞大的传感器节点组成的无线传感器网络。针对矿山环境的诸多特点，通过利用无线传感器网络技术，提出三维矿山环境监测系统的软硬件设计方案，对建设三维数字化矿山具有一定的参考价值。
【Abstract】With the rapid development of embedded mobile communication technology， a wireless sensor network composed of sensor nodes with low power consumption and large number of sensors is designed according to the specific application scenarios. According to the characteristics of mine environment， through the use of wireless sensor network technology， the hardware and software design of environment monitoring system of mine is presented in this paper， which has a certain reference value for the construction of 3D digital mine.
【关键词】无线传感器网络；协作感知；系统设计
【Keywords】wireless sensor network； cooperative sensing； system design
【中图分类号】TD76 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0134-02
1 引言
煤炭开采工业一直是我国重要的基础产业，在经济建设中的地位十分重要，随着物联网技术的飞速发展和感知矿山理念的不断深化，煤矿开采变得更加机械化和智能化，而且由于矿山井下巷道地质条件复杂，生产工作环境恶劣，瓦斯突出、煤尘、水灾等安全隐患问题不容忽视，其中瓦斯爆炸造成的危害范围极广，影响深远。据统计，我国煤矿井下事故的发生主要是由瓦斯引起的，其造成的伤亡占到重特大事故伤亡人数的九成左右，因此对于矿山环境监测始终是不容忽视的问题，
2 系统设计
本系统的设计主要有三层结构：环境感知层、无线数据传输层和上位机管理软件层，其中，环境感知层主要针对采集矿山空气的粉尘、温湿度、有害气体（如CO、CO2等）；土壤的温湿度、pH值、金属离子的含量等；水环境的温度、pH值以及氮氧含量等；通过布置相应的ZigBee节点进行自组网后，利用自发上传或者上位机下达指令的方式，把感知数据汇聚到汇聚节点，汇聚节点再通过3G技术远程传输数据到上位机数据库，上位机的智能管理软件系统通过访问数据库可实现煤矿环境信息的实时查询和评价分析，另外，煤矿环境管理部门等不同使用者也可通过Internet进行访问。
3 系统功能
矿山监测区域广，且地处野外，为了监测空气、土壤等空间对象的环境参数，需要在矿区布放多个传感器节点，节点能够自组织成网络，完成监测数据的远程传输。
3.1 矿山环境基本特点
①从地理位置角度来看，矿山所处位置一般比较偏僻，海拔相对较高，监测难度较大。②信息采集周期较长。由于监测手段限制，传统矿山环境信息的获取主要依靠人力取得，信息获取周期较长，不利于矿山环境信息的及时更新。③信息的显著特点：数据源丰富、数据量大、数据类型众多、数据结构复杂，而且矿山数据具有重要的经济价值，大量数据如果得不到及时收集、整理、保存、分析，一旦丢失，将会造成数据信息资源及经济浪费。④信息发布相对迟缓。传统矿山环境信息的发布主要依靠相关部门将信息编辑成册，出版发行，公众对信息的获取相对迟缓，不利于信息的广泛应用。
3.2 技术需求
通过对传统矿山环境信息监测的特点分析，可以知道传统监测手段存在许多不足之处，需要在无线监测网络、远程传输控制、大范围监测、快速信息发布等方面进行改进和弥补。
由于ZigBee无线传感器技术具有多节点、低功耗、低成本的特点，能够适应复杂地形的信息监测，满足矿山环境监测的野外工作性质需要。智能传感器具有高敏感性、高精度、多类型等特點，监测终端节点通过外接不同类型的传感器，以实现不同对象的信息参数采集。基于3G的远程数据采集技术具有实时性、远程操控的特点，能够及时地获取远程数据、控制采集设备，满足矿山环境监测的实时性需求。GIS技术以空间数据为操作对象，能够实现矿山信息的三维可视化显示。基于C/S模式的工作方式，服务器端完成信息数据的存储管理功能，客户端完成数据处理、表示及用户接口功能，用户通过客户端向服务器端提交请求，由服务器端提供服务并响应用户请求，实现矿山环境信息的查询、统计分析等功能，用户访问便捷、安全性高，使得公众能够及时有效地获取监测信息，满足矿山环境监测信息发布的时效性需求。
4 硬件架构
4.1 无线通信模块
本系统无线通信模块的微处理器芯片选用了CC2530，配套无线通信芯片为CC2591。CC2591具有2.4GHz低功耗RF射频收发器，是德州仪器公司生产的核心系统芯片产品之一。主要功能包括射频匹配、射频转换，能够和CC2530进行无缝平衡转换，是一款高性能低成本的RF前端放大器芯片。其中，功率放大器模块能够将无线射频功率提高至+22dBm，低噪声放大器模块可以将接收机的灵敏度提高+6dB，保证无线通信覆盖范围，此外，CC2591内部集成了RF匹配网络，所以在RF输入输出部分不需要增加额外的匹配网络，适用于所有2.4 GHz无线系统。CC2591从天线接收到射频信号时，经过逻辑选通后进入LNA，过滤后的信号通过与CC2530连接的引脚将收到的信号传输存入寄存器CC2591，在发送射频信号时，经过逻辑选通后进入PA，将信号放大后通过天线发送出去。
4.2 智能监测模块
矿山各类环境的监测主要借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，测量所在周边环境中温度、湿度、粉尘、CO2等信号。传感器的发展历经了传统传感器（Dumb Senor）、智能传感器（Smart Sensor）、嵌入式Web传感器（Embedded Web Sensor）的過程，根据应用场景的需求不同，相应设计的传感器种类也不尽相同，相比较于只具有单一感知能力的传统传感器，智能传感器不仅具有协作感知、信息交换、数据处理的能力，而且能够根据环境的变化做出相应的实时反馈，采用智能传感器布置环境监测模块部分，不仅节省了节点的布置成本，而且提高了数据采集的效率和质量。
4.3 电源模块设计
无线传感器节点工作环境是野外，感知器节点应充分考虑防潮、防雨、防雷击、高低温工作环境等因素。由于是野外环境，节点的供电就不便利，所以要求传感器节点必须设计成低功耗。在矿区供电方便区域，电源可通过铺设矿用电缆的方式布置，在环境恶劣供电不便的区域，可采取节点自身携带蓄电池和太阳能电池板的方式，这样在保持网络正常通信覆盖的前提下，延长了节点的寿命和整个网络的生命周期，降低了维护成本。本系统采用基于太阳能电池板和锂电池的供电系统，为节点中不同的模块提供不同的电压电源，能够实现在有阳光的煤矿矿山野外环境中为无线感知节点永久性供电的目标系统。
5 软件架构
软件架构的设计，因为核心芯片的选择是ZigBee CC2530，相应的软件应用开发工具选择IAR System7.51A。IAR Embedded Workbench是一套完整的集成开发环境，包括代码编辑器、工程建立、C/C++编译器、连接器和调试器等各类开发工具。
协议栈的选取是德州仪器公司ZigBee协议栈，通过基于ZigBee通信协议，利用标准的C语言进行相关的代码设计，实现了感知层绝大部分的应用要求，并提供了相关的接口函数，在系统设计时，只需要根据应用要求调用相关的接口函数并配置，然后在应用层开发相应的程序。目前为止，TI公司所提供的协议栈到目前为止经历了多个版本，根据应用需求，我们选取官方网站提供的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本，在IAR开发环境进行编译和相关代码下载，根据IEEE 802.15.4标准分为以下几层：应用层（APL），硬件抽象层（HAL），介质访问层（MAC），网络层（NWK），操作系统抽象层（OSAL），ZigBee设备层（ZDO）。
基于操作系统的相关思想，结合相关具体的应用案例，Z-Stack协议栈通过构建事件轮循机制，在各层初始化时，整个系统将会进入低功耗状态，当外部事件发生时，相应模块将会从睡眠状态进入到工作模式，系统将会被唤醒，进入中断状态处理事件，当事件处理结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，则通过判断事件触发优先级，依次处理事件。采用这种逐级出发软件构架可以极大地降低系统的功耗。
6 结语
本系统所设计的三维矿山环境监测与系统，通过使用无线传感器网络技术，基本实现了大面积区域内实时在线自动监测和矿山周边环境信息数据，实现了数据的采集、处理、传输和存储等环节的自动化，很好地解决了矿山环境信息监测中存在的面积大、地形复杂等问题。
【参考文献】
【1】杨立刚.我国煤矿安全事故的原因分析[J].安全，2008，29（10）：5-7.
【2】郭鹏.基于无线传感器网络的矿山环境动态监测与评价系统研究[D].石家庄：河北师范大学，2011.
【3】赵新卓.基于GIS的邯郸市矿山环境信息系统研究[D].邯郸：河北工程大学，2009.
【摘 要】随着嵌入式移动通信技术的高速发展，针对相关的具体应用场景，设计出了低功耗、数量庞大的传感器节点组成的无线传感器网络。针对矿山环境的诸多特点，通过利用无线传感器网络技术，提出三维矿山环境监测系统的软硬件设计方案，对建设三维数字化矿山具有一定的参考价值。
【Abstract】With the rapid development of embedded mobile communication technology， a wireless sensor network composed of sensor nodes with low power consumption and large number of sensors is designed according to the specific application scenarios. According to the characteristics of mine environment， through the use of wireless sensor network technology， the hardware and software design of environment monitoring system of mine is presented in this paper， which has a certain reference value for the construction of 3D digital mine.
【关键词】无线传感器网络；协作感知；系统设计
【Keywords】wireless sensor network； cooperative sensing； system design
【中图分类号】TD76 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0134-02
1 引言
煤炭开采工业一直是我国重要的基础产业，在经济建设中的地位十分重要，随着物联网技术的飞速发展和感知矿山理念的不断深化，煤矿开采变得更加机械化和智能化，而且由于矿山井下巷道地质条件复杂，生产工作环境恶劣，瓦斯突出、煤尘、水灾等安全隐患问题不容忽视，其中瓦斯爆炸造成的危害范围极广，影响深远。据统计，我国煤矿井下事故的发生主要是由瓦斯引起的，其造成的伤亡占到重特大事故伤亡人数的九成左右，因此对于矿山环境监测始终是不容忽视的问题，
2 系统设计
本系统的设计主要有三层结构：环境感知层、无线数据传输层和上位机管理软件层，其中，环境感知层主要针对采集矿山空气的粉尘、温湿度、有害气体（如CO、CO2等）；土壤的温湿度、pH值、金属离子的含量等；水环境的温度、pH值以及氮氧含量等；通过布置相应的ZigBee节点进行自组网后，利用自发上传或者上位机下达指令的方式，把感知数据汇聚到汇聚节点，汇聚节点再通过3G技术远程传输数据到上位机数据库，上位机的智能管理软件系统通过访问数据库可实现煤矿环境信息的实时查询和评价分析，另外，煤矿环境管理部门等不同使用者也可通过Internet进行访问。
3 系统功能
矿山监测区域广，且地处野外，为了监测空气、土壤等空间对象的环境参数，需要在矿区布放多个传感器节点，节点能够自组织成网络，完成监测数据的远程传输。
3.1 矿山环境基本特点
①从地理位置角度来看，矿山所处位置一般比较偏僻，海拔相对较高，监测难度较大。②信息采集周期较长。由于监测手段限制，传统矿山环境信息的获取主要依靠人力取得，信息获取周期较长，不利于矿山环境信息的及时更新。③信息的显著特点：数据源丰富、数据量大、数据类型众多、数据结构复杂，而且矿山数据具有重要的经济价值，大量数据如果得不到及时收集、整理、保存、分析，一旦丢失，将会造成数据信息资源及经济浪费。④信息发布相对迟缓。传统矿山环境信息的发布主要依靠相关部门将信息编辑成册，出版发行，公众对信息的获取相对迟缓，不利于信息的广泛应用。
3.2 技术需求
通过对传统矿山环境信息监测的特点分析，可以知道传统监测手段存在许多不足之处，需要在无线监测网络、远程传输控制、大范围监测、快速信息发布等方面进行改进和弥补。
由于ZigBee无线传感器技术具有多节点、低功耗、低成本的特点，能够适应复杂地形的信息监测，满足矿山环境监测的野外工作性质需要。智能传感器具有高敏感性、高精度、多类型等特點，监测终端节点通过外接不同类型的传感器，以实现不同对象的信息参数采集。基于3G的远程数据采集技术具有实时性、远程操控的特点，能够及时地获取远程数据、控制采集设备，满足矿山环境监测的实时性需求。GIS技术以空间数据为操作对象，能够实现矿山信息的三维可视化显示。基于C/S模式的工作方式，服务器端完成信息数据的存储管理功能，客户端完成数据处理、表示及用户接口功能，用户通过客户端向服务器端提交请求，由服务器端提供服务并响应用户请求，实现矿山环境信息的查询、统计分析等功能，用户访问便捷、安全性高，使得公众能够及时有效地获取监测信息，满足矿山环境监测信息发布的时效性需求。
4 硬件架构
4.1 无线通信模块
本系统无线通信模块的微处理器芯片选用了CC2530，配套无线通信芯片为CC2591。CC2591具有2.4GHz低功耗RF射频收发器，是德州仪器公司生产的核心系统芯片产品之一。主要功能包括射频匹配、射频转换，能够和CC2530进行无缝平衡转换，是一款高性能低成本的RF前端放大器芯片。其中，功率放大器模块能够将无线射频功率提高至+22dBm，低噪声放大器模块可以将接收机的灵敏度提高+6dB，保证无线通信覆盖范围，此外，CC2591内部集成了RF匹配网络，所以在RF输入输出部分不需要增加额外的匹配网络，适用于所有2.4 GHz无线系统。CC2591从天线接收到射频信号时，经过逻辑选通后进入LNA，过滤后的信号通过与CC2530连接的引脚将收到的信号传输存入寄存器CC2591，在发送射频信号时，经过逻辑选通后进入PA，将信号放大后通过天线发送出去。
4.2 智能监测模块
矿山各类环境的监测主要借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，测量所在周边环境中温度、湿度、粉尘、CO2等信号。传感器的发展历经了传统传感器（Dumb Senor）、智能传感器（Smart Sensor）、嵌入式Web传感器（Embedded Web Sensor）的過程，根据应用场景的需求不同，相应设计的传感器种类也不尽相同，相比较于只具有单一感知能力的传统传感器，智能传感器不仅具有协作感知、信息交换、数据处理的能力，而且能够根据环境的变化做出相应的实时反馈，采用智能传感器布置环境监测模块部分，不仅节省了节点的布置成本，而且提高了数据采集的效率和质量。
4.3 电源模块设计
无线传感器节点工作环境是野外，感知器节点应充分考虑防潮、防雨、防雷击、高低温工作环境等因素。由于是野外环境，节点的供电就不便利，所以要求传感器节点必须设计成低功耗。在矿区供电方便区域，电源可通过铺设矿用电缆的方式布置，在环境恶劣供电不便的区域，可采取节点自身携带蓄电池和太阳能电池板的方式，这样在保持网络正常通信覆盖的前提下，延长了节点的寿命和整个网络的生命周期，降低了维护成本。本系统采用基于太阳能电池板和锂电池的供电系统，为节点中不同的模块提供不同的电压电源，能够实现在有阳光的煤矿矿山野外环境中为无线感知节点永久性供电的目标系统。
5 软件架构
软件架构的设计，因为核心芯片的选择是ZigBee CC2530，相应的软件应用开发工具选择IAR System7.51A。IAR Embedded Workbench是一套完整的集成开发环境，包括代码编辑器、工程建立、C/C++编译器、连接器和调试器等各类开发工具。
协议栈的选取是德州仪器公司ZigBee协议栈，通过基于ZigBee通信协议，利用标准的C语言进行相关的代码设计，实现了感知层绝大部分的应用要求，并提供了相关的接口函数，在系统设计时，只需要根据应用要求调用相关的接口函数并配置，然后在应用层开发相应的程序。目前为止，TI公司所提供的协议栈到目前为止经历了多个版本，根据应用需求，我们选取官方网站提供的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本，在IAR开发环境进行编译和相关代码下载，根据IEEE 802.15.4标准分为以下几层：应用层（APL），硬件抽象层（HAL），介质访问层（MAC），网络层（NWK），操作系统抽象层（OSAL），ZigBee设备层（ZDO）。
基于操作系统的相关思想，结合相关具体的应用案例，Z-Stack协议栈通过构建事件轮循机制，在各层初始化时，整个系统将会进入低功耗状态，当外部事件发生时，相应模块将会从睡眠状态进入到工作模式，系统将会被唤醒，进入中断状态处理事件，当事件处理结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，则通过判断事件触发优先级，依次处理事件。采用这种逐级出发软件构架可以极大地降低系统的功耗。
6 结语
本系统所设计的三维矿山环境监测与系统，通过使用无线传感器网络技术，基本实现了大面积区域内实时在线自动监测和矿山周边环境信息数据，实现了数据的采集、处理、传输和存储等环节的自动化，很好地解决了矿山环境信息监测中存在的面积大、地形复杂等问题。
【参考文献】
【1】杨立刚.我国煤矿安全事故的原因分析[J].安全，2008，29（10）：5-7.
【2】郭鹏.基于无线传感器网络的矿山环境动态监测与评价系统研究[D].石家庄：河北师范大学，2011.
【3】赵新卓.基于GIS的邯郸市矿山环境信息系统研究[D].邯郸：河北工程大学，2009.
