摘 要： 利用無線傳感網絡技術和基于Intel Celeron嵌入式處理器的GENE-8310平臺設計了一個新型的煤礦安全監測" title="安全監測">安全監測與預警系統。該系統利用瓦斯氣體濃度、溫度、濕度等傳感器，通過無線傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡完成礦井環境監測" title="環境監測">環境監測、數據處理傳送等任務；利用嵌入式GENE-8310平臺對移動節點的信息進行數據匯聚及數據分析，并自動生成可視化曲線圖表和超限警報提示，實現運用現代高科技技術手段來遏制煤礦礦難事故發生的目的。
關鍵詞： 無線傳感器網絡; 安全監測; 嵌入式系統; 多跳路由; 超限報警
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無線傳感器網絡技術是最近幾年發展起來的新興技術領域。它綜合了傳感器技術、微電子技術、嵌入式計算技術、網絡無線電、網絡通信技術和分布式信息處理技術等，能夠通過各類微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種監測對象的各種信息，這些信息通過無線方式發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端。無線傳感器網絡具有十分廣闊的應用前景，如在國防軍事、工業監控、農林牧業生產過程監控、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、治安反恐、危險區域遠程控制等許多重要領域。
我國是一個煤炭大國，然而與世界各主要產煤國家相比，我國的煤炭主要依靠井工開采，而且高瓦斯礦井多，瓦斯事故多發，死亡人數所占比例最大。因此, 監測井下" title="井下">井下瓦斯濃度, 把瓦斯濃度控制在安全范圍內, 是避免礦井事故的主要手段。
現有的煤礦井下有線監測體系只能延伸到煤礦的巷道內，與工人生命息息相關的采煤區的作業面依然是一個監測盲區。如何對井下工人作業面的環境信息進行采集，通過無線的方式傳送給管理人員，成為一個亟待解決的問題。這個問題實際上是嵌入式系統和無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）兩個領域的結合點。構建這樣一個控制管理系統，需要使用無線傳感器網絡來完成瓦斯信息的收集和發送，以及相關控制信息的發送，使用嵌入式系統對采集的數據進行分析、處理及顯示等。
本文研究的主要問題就是如何利用無線傳感網絡技術和基于Intel Celeron嵌入式處理器的GENE-8310平臺構建一個新型的煤礦安全監測與預警系統。
1 煤礦環境監測WSN系統總體結構
基于無線傳感器網絡技術的煤礦安全監測系統在繼承了無線傳感器網絡的自動感知、自動組網、多跳中繼傳遞等特性的同時，充分考慮到了煤礦井下的實際情況。如圖1所示，該系統主要由以下五個部分構成：
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(1)移動無線傳感器網絡節點" title="無線傳感器網絡節點">無線傳感器網絡節點：由井下礦工攜帶，電池供電，帶有探測瓦斯濃度等環境質量監測傳感器，具有無線傳輸數據的功能，并在環境監測數據超標時自動報警。每個移動節點提供一個唯一的編號，用以確定攜帶者的身份、位置等信息。
(2)固定無線傳感器網絡節點：按一定的間距固定在支巷道道壁上，具有環境數據和無線傳輸數據的功能；并在環境監測數據超標時自動報警。每個固定節點的位置需要在計算機數據庫中備案，以此為固定坐標點用以確定運動節點的坐標位置。
(3)基站接收機節點:安裝在主巷道內，接收固定式無線傳感器網絡節點的數據, 并通過通信電纜將數據傳輸給信息收集數據庫服務器。
(4)信息收集數據庫服務器:收集處理數據, 將數據儲存到數據庫，并隨時向監控部門提供及時準確的井下環境數據。
(5)監控臺:監控人員操作臺，以圖形方式實時監測井下全部無線傳感器節點，顯示每個節點當時的環境參數，具有瓦斯超限報警等環境超限報警功能。
2 無線傳感器網絡節點硬件設計
無線傳感器網絡節點的硬件由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和電源供應模塊四個部分組成。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統、移動系統以及電源自供電系統等，如圖2所示。
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(1) 傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換。
? (2) 處理模塊負責控制整個傳感器節點的處理操作、存儲并處理本身采集的數據和其他節點發來的數據，包括數據安全、通信協議、同步定位、功耗管理、任務管理等。處理器模塊使用ATMEGA128單片機作為控制器和處理核心，相對于其他通用的8位微控制器，ATMEGA128具有非常豐富的資源和更低的功耗，具有128KB的片內Flash程序存儲器，4KB的SRAM數據存儲器(可外擴到64KB)和4KB的E2PROM以及豐富的對外接口。ATMEGA128的驅動時鐘使用頻率為7.372 8MHz的晶振，另外還配置了一個頻率為32.768kHz的晶振作為計數器的外部時鐘。
??? (3)無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信、交換控制消息和收發采集數據。無線通信模塊核心采用工作在433MHz下的單芯片低電壓CC1000收發器。該射頻芯片具有工作電壓低（2.1V～3.6V）﹑能耗低﹑體積小等非常適合于集成的特點。它采用FSK調制方式，外部采用SPI接口，可以和微控制器直接相聯。CC1000使用頻率為14.745MHz的晶振作為驅動，在該驅動下CC1000可以提供的最大數據傳輸率為19.2Kb/s(每毫秒不到3個字節)，這個數據對MAC層的協議是很有用的，在設置ACK等待時間和RTS-CTS等待時間時這是需要考慮的重要參數。
??? (4)電源供應模塊為傳感器節點提供運行所需的所有電源。
??? 考慮到各種不同的應用場合中需要采集的模擬量千差萬別,對于傳感器模塊，系統選用了一些當今應用中最為常見的傳感器，設計了擁有通用接口的傳感器子模塊。傳感器電路部分設計采用power gating技術以便可在無采集數據任務時降低功耗。
光敏電阻和熱敏電阻的封裝都比較小巧，而且基本上不需要額外的變送部分就可以送到處理器的ADC輸入端進行采樣。不過光敏電阻和熱敏電阻本身的特性曲線不一定是線性的，用ADC測量后的結果需要將特性曲線進行校正。
3 基于GENE-8310的WSN分析與管理平臺MESH
在WSN中，大量的無線自主節點相互協作分工，完成數據采集、處理和傳輸的功能。從微觀角度看，WSN節點狀態的獲取難度遠遠大于普通網絡節點；從宏觀角度看，WSN網絡的運行效率和性能也比一般網絡難以度量和分析。因此，WSN的分析與管理是WSN研究和應用中的一個重點和難點。正是出于這種考慮，本文開發了基于GENE-8310平臺的WSN分析與管理平臺MESH。
GENE-8310采用板載Intel Celeron 1.3GHz或移動Intel Celeron 600MHz超低電壓的CPU和Intel 852GM+82801DB（ICH4）芯片組，系統內存為SDRAM DIMM×1，最大為1GB（DDR266），可以廣泛地應用于不同的領域。GENE-8310支持CRT、LCD、DVI和TV-OUT等，擁有極佳的圖形處理能力，能滿足用戶的多種需求。
圖3為MESH管理平臺的總體框架。無線傳感器網絡的各種數據從節點匯聚到基站，然后通過串口送到MESH平臺，MESH平臺再對收集到的數據集進行可視化處理。MESH平臺包括串口監聽模塊、MAC層分析模塊、網絡層分析模塊，傳感數據分析模塊、數據庫管理模塊以及數據處理模塊等主要模塊。MESH平臺提供了多種形式的用戶接口，包括拓撲樹、節點分布、實時曲線、數據查詢以及節點列表等，可以滿足用戶在分析和管理WSN時的各種需求。
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4 系統實現
基于無線傳感器網絡技術的煤礦安全監測系統目前已經完成了傳感器網絡節點的設計、互聯互通和通信算法等，解決了節點組網等方面的技術性難題，完成了節點組網技術測試，并對節點電路進行了優化。節點電路已經能夠以內嵌礦燈電源或者是獨立形式進行工作。圖4所示為完成的節點電路。
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同時，初步完成的基于GENE-8310的WSN分析與MESH管理平臺可以通過多種形式的用戶接口，包括拓撲樹、節點分布、實時曲線、數據查詢以及節點列表等，實時地將各項環境監測數據呈現在管理者面前，進而形成全方位的煤礦安全監測與報警指揮體系。煤礦安全監測系統MESH管理平臺如圖5所示。
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本文設計的煤礦安全監測與預警系統利用瓦斯氣體濃度、溫度、濕度等傳感器，通過無線傳感器網絡完成礦井環境監測、數據處理傳送等任務；利用嵌入式GENE-8310平臺對移動節點的信息進行數據匯聚，進一步進行數據分析，并自動生成可視化曲線圖表和超限報警提示，進而實現運用現代高科技技術手段來遏制煤礦礦難事故的發生。下一步，除了繼續完善系統功能、進行煤礦的試驗性安裝測試之外，將主要集中在解決礦井復雜環境下的移動節點定位等問題上。
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