無線傳感器網絡在尾礦庫安全監測儀器系統的應用（自動化）
無線傳感器網絡在尾礦庫安全監測儀器系統的應用（自動化）
李哲昀1，李青2，王燕杰2
（1．杭州職業技術學院友嘉機電學院，浙江杭州310018；2．中國計量學院機電工程學院，浙江杭州310018）
摘要：尾礦庫是開采金屬礦以及其他非金屬礦物的礦山企業排放尾礦的場所，一般由尾礦堆存系統、排洪系統和回水系統這幾部分構成。尾礦庫是一個人造泥石流隱患的危險源，如果發生潰壩，將造成巨大的災害和損失。對同一尾礦庫的多個監測點建立一個綜合監測網，實現了尾礦庫監測項目中無線傳感網絡的實時監測，實現信號完整、可靠地傳輸，使遠處的管理人員可以通過遠程監測了解尾礦庫狀況。多種測量單元在現場構成有20多個點實時監測的無線傳感器網絡，20多個點的監測數據由一個集匯器通過GSM/GPRS實現遠程數據發送。詳盡介紹了基于ZigBee技術的傳感器節點和匯聚節點的設計、軟件設計等。
關鍵詞：尾礦庫；無線傳感器網絡；ZigBee
中圖分類號：TP393.1 文章編號：1006 - 2394( 2016) 06 - 0009 - 04
0 引言
尾礦庫安全的監測需要對現場的尾礦庫本體的實際狀態和環境狀態進行測量獲取，并遠傳到遠離現場的管理機構。
對于現場的測量信息的獲取，ZigBee是一種近距離、低功耗的無線通信技術，且有較強的自愈能力，其中一個節點的失效不會對整體效果造成致命影響，非常適合用來實現無線傳感器網絡。因此當網絡用于實時監測和控制時，非常適合采用ZigBee技術做無線傳輸。
本文就無線傳感器網絡在尾礦庫安全系統中的應用展開研究，以達到實時傳輸和監測的目的。主要包含兩大內容：①基于ZigBee技術的無線傳感器網絡；②將基于ZigBee技術的無線傳感器網絡與測量傳感裝置結合形成尾礦庫綜合監測儀器系統。
1 ZigBee技術和無線傳感網絡的設計
IEEE802. 15.4是ZigBee技術的基礎，基于ZigBee技術的無線傳感器網絡被應用在醫療、交通、農業等眾多領域。
ZigBee標準采取層次結構，上層由下層提供服務：數據傳輸服務由數據實體提供，所有其他服務由管理實體提供。上層的接口由所有的服務實體通過服務接入點( SAP)來提供，每個服務接人點都可以支持一定量服務原語的實現。在OSI七層模型基礎上，ZigBee標準根據應用和市場的實際需要定義了分層架構。其中底層協議由IEEE802. 15. 4-2003標準定義：即物理層( PHY)，媒體訪問控制層(MAC)，在此基礎上，Zig-Bee聯盟定義了網絡層(NYK)和應用架構層( APL) ，如圖1所示。
網絡終端設備的ZigBee網絡依據應用需要，可以形成三種拓撲結構，分別是星型網絡、簇狀網絡和網狀網絡，圖2顯示了三種網絡拓撲。在本文中使用的是星型網絡拓撲結構，因為一般一個尾礦庫會有20個左右的節點布置，并且每個節點相距都不太遠，選擇星型網絡拓撲結構就可以實現無線傳感通信了。
2 無線傳感器網絡應用系統硬件設計
尾礦庫綜合監測儀器系統，可滿足對尾礦庫壩體 地表和地下深部位移、浸潤線、庫區降水量、尾礦砂含水率等多種主要物理量進行實時、自動監測，并可實現對監測數據的現場無線傳輸、遠程傳輸和綜合管理。本文研究的是監測系統中無線傳感器網絡的實現和應用，組成如圖3所示。
圖3中的無線數字傳感測量單元（傳感器節點）即是各尾礦庫垮塌災害的誘發因素（降雨、地下水位高低、尾礦砂含水）和災前相關物理量（地表位移、地下位移）的測量單元，各測量單元基本含有傳感器、信號處理電路、單片微機、信號發射和接收等部分。其中的信號發射和接收部分就是基于ZigBee的無線傳感器網絡電路。
各測量單元在尾礦庫現場以無線傳感網絡實現信號的傳輸，各測量單元測到的數據通過無線傳感網絡集中到圖3中的信息無線收集和匯總裝置（匯聚節點），信息無線收集和匯總裝置可以通過GSM或GPRS方式、通信衛星、有線電話網三種遠程通信方式中的一種實現信號的遠程傳輸。本文選擇了GSM/GPRS的遠程通信方式。
在遠方的上位機（服務器）通過GSM或GPRS、通信衛星、有線電話網三種遠程通信方式中的一種接收遠方的測量信號，并且在上位機中有測量數據顯示、曲線顯示、預警設定、數據庫導出、數據和曲線打印等功能；同時建立網址，可實現在有Internet網的地方都可接收、查看尾礦庫垮塌災害隱患點的測量數據。
2.1無線傳感網芯片
監測現場無線通信需經過微處理器與射頻收發模塊收發數據。因此，控制器的選擇，必須同時考慮到上述兩個條件，以滿足系統的要求。在無線通信時，無線監控網絡的核心是微控制器，它負責來自每個節點的信息處理。微控制器的選擇需考慮以下幾點：第一外觀尺寸應該是合理的，務必要??；第二集成度要高，有利于簡化整個無線監控網絡的外圍電路，提高傳感器的集成度；第三功耗低、運行快，處理完數據能夠立即進入休眠狀態，有效節約系統能源；第四成本低，這是必要前提。
本系統的現場無線傳感監測網絡選用德州儀器公司的CC2430為核心，它作為片上系統整合了內存、微控制器和射頻前端。在CC2430芯片內部包含了微控制器、安全處理器、數字模擬轉換器、定時器、晶振器、看門狗定時、上電復位以及掉電保護電路。芯片CC2430共有48個引腳，所有引腳分為I/O端口線、控制線引腳、電源線引腳三大類。
2.2各節點硬件設計
微處理器模塊、無線通信模塊、信息處理電路和傳感器模塊構成了傳感器節點的硬件部分，如圖4所示。
微處理器模塊用于控制節點的路由協議、數據處理、任務管理和功耗管理等。無線通信模塊用于節點之間交換信息、無線通信、數據收發。信息處理電路用于尾礦庫安全監測信息的收集，它把各種傳感器（如雨量、溫濕度、位移等）獲得的信號轉換成數字信號，并發送至微處理器模塊。無線傳感網的匯聚節點將各個傳感器節點獲得的監測數據匯集，然后通過GSM/GPRS實現遠程信息傳輸，匯聚節點硬件原理框圖如圖5所示。
在尾礦庫監測儀器系統中針對地表位移、地下水位、降雨量、溫度等監測量，監測節點的硬件構成如圖4所示。但對地下位移、土壤含水量，因測量復雜，采用先由專門的測量儀器單元完成測量，再經485通信傳給CC2430模塊的方式形成傳感器節點，地下位移測量傳感器節點如圖6所示。土壤含水量測量的傳感器節點與此類似。
3節點程序設計和人機界面軟件開發
軟件的設計與開發，使用IAR系統IAREm beddedWorkbench( EW)，用C語言編程實現。IAR EW支持用戶在同一軟件界面開發多種微處理器。IAR EmbeddedWorkbench中含有C/C++匯編器、編譯器、項目管理器、庫管理員、連接定位器以及調試器。由IAR EW產生的代碼很簡單，即使處理器的處理能力較小也可以使用，因此在處理器方面的成本也可以降低。
3.1 匯聚節點軟件設計
匯聚節點在系統中起著非常重要的角色，首先它負責建立和管理網絡，接收和處理來自路由節點和傳感節點的相關環境參數數據，而且還要負責與上位機進行通信。在與上位機通信中包括向上位機傳輸有關數據、接收來自上位機的數據并通過無線傳輸轉發給下面的路由節點或傳感節點。匯聚節點建立網絡的主要步驟如下：初始化成功后，檢測電源和掃描信道狀態，發起建立一個新的網絡，配置網絡相關參數（包括設置信道、PANID、網絡深度），允許傳感節點和路由加入和離開網絡，為每個加入的節點分配地址，同時建立一個地址列表，接收上位機指令并下發給各個節點控制相關傳感器節點采集環境參數，接收下面節點數據后通過串口通信發送給上位機，由上位機最終顯示數據、存儲數據。匯聚節點軟件設計流程圖如圖7所示。
3.2傳感器節點軟件設計
傳感器節點在系統中主要負責對監測區域的環境參數采集和中轉子節點的數據。傳感器節點軟件設計的主要步驟為：在上電之后，系統初始化，監聽匯聚節點建立網絡的信號，掃描網絡信道，向匯聚節點申請加入網絡，在得到確認后，加入網絡；當匯聚節點發布環境數據采集命令時，傳感節點成功接收命令，采集相應的環境參數數據，并向匯聚節點發送數據，在得到匯聚節點的接收數據響應之后，則開始發送。發送成功后，傳感節點由工作狀態轉換為休眠狀態，通過定時器定時，在一段時間后，進入新的一個循環。傳感器節點軟件設計流程圖如圖8所示。
3.3上位機軟件設計
為了在遠方能便于管理和監測尾礦庫參數，通過GSM/GPRS將現場無線傳感器網絡測得的尾礦庫環境參數和安全表征參數，發給遠離現場的PC機（上位機）。上位機的顯示界面使用C++語言編程，數據通信基于TCP/IP協議。軟件設計主要包括上位機與匯聚節點的通信、通過匯聚節點向網絡發布組網和數據采集命令等，具體軟件設計流程圖如圖9所示。上位機通過人機對話界面可以操控在現場的無線傳感器監測系統，可設定監測數據及時發送和定時發送，能夠監控、判斷現場設備處于以下何種狀態：正常運行、發生故障，能對采集的數據進行保存、打印和顯示曲線等，能根據設定的閾值進行預警和報警。
4 網絡拓撲與實驗
本文設計的無線傳感器網絡是魯棒性拓撲結構，即每個傳感器節點都有互不相干的兩條以上路徑到達匯聚節點，這樣保證任意一個節點到達匯聚節點的一條路徑失效時，數據可以通過備用路徑到達匯聚節點，從而提高了數據傳輸的魯棒性，保障數據傳輸的準確性；傳感網絡的傳感節點以周期性方式向匯聚節點傳輸數據。對于網絡拓撲進行了邊緣優選法和中間優選法實驗，實驗結果從表1可以看到，中間優選法形成的網絡拓撲的首選路徑平均跳數和備選路徑平均跳數比邊緣優選法都少，說明中央位置的策略相比邊緣法在傳輸樹上的路徑質量更好，然而搜索的時間相對更長。
5結束語
本文實現的基于ZigBee技術的無線傳感器網絡的尾礦庫安全監測系統已在浙江、北京等地的尾礦庫應用，實現了全自動、全天候、實時尾礦庫安全運行監測，對礦山安全生產起到了良好的保障作用。
