专利名称：一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于矿井安全监控领域，涉及一种基于异构多通道无线传感器网络的井下 监测系统，特别涉及用于矿井安全监测的一种异构多通道无线传感器网络的节点组成及通 信方法。
背景技术：
目前，在世界上许多国家的矿井监测都处于人工监测阶段，由于矿井内环境的变 化不能及时传达到地面监测中心，导致矿难发生时，矿井下工作人员不能及时撤离危险地 带，造成了极大的人员伤亡和经济损失。我国由于矿难频发，许多重点矿区已安装监控监测 系统。但是，现有矿井监控系统均存在着通用性差、智能程度低等问题，既不符合智能型集 中监控的要求，又不能满足安全生产的需要。因此，对矿井下环境状况如何及时、可靠地监 测并将异常信息快速准确的发送到监控中心并及时通知处于危险中的工作人员显得非常 重要。目前，煤矿安全监测监控系统主要存在的问题有以下几个方面1、现有矿井监控监测系统均针对某一监控对象开发，为单一的环境安全、皮带开 停、提升运输、设备开停等专用监控系统，从而造成设备、配件互不通用，信道各自为政，信 息不能共享。2、现有矿井监控监测系统均为某一监控目的而开发，用户难以通过简单的操作实 现多方面监控的目的。3、现有矿井监控监测系统均需要较高的成本和功耗，扩展性不强，难以随矿井规 模的扩大便捷地增加监控区域。相对于现有技术，本发明的有益效果是其一，本发明所设计的传感器节点，包括相互电连接并通信的传感器模块、射频模 块和能量供应模块，根据实际环境的需要安装的湿度传感器、压力传感器、可燃气体传感器 和氧气传感器集中安装在一个传感器节点上，通过4个AD 口传送采集的模拟数据给射频模 块处理并通过天线发送，提高了监控监测目的和对象的集成度，降低了成本。其二，本发明的处理通信模块使用的嵌入式微处理器CClllO集成有无线收发芯 片CC1100，只需添加少量的射频元件即能工作于915MHz国际ISM免费频段，降低开发成本， 采用工作于915MHz国际ISM免费频段符合IEEE802. 15. 4协议的无线通讯方式传输信息， 既避免了铺设电缆等线路带来的人力物力消耗，也无需交纳通讯使用费。其三，本发明设计的用于矿井安全监测的传感器节点采用了一系列低功耗措施 1、采用了低功耗、集成度高的元器件；2、采用了单电源、低电压的供电方式；3、大量采用电 源芯片进行电压的升降，使线路的电流损耗降到最低。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，在整个网络成本增加不大的情况下，添加多个子网，每个子网占用独立的通信信道，构建出 “子网+主干网”的两级网络架构进行数据传输，网络架构采用有线通信与无线通信相结合 的异构组网方式，以此提高整个无线传感器网络的稳定性和可靠性。其中，所设计的传感器 节点电路简单、数据传输方式先进、网络可扩展性强、功耗低、成本低。为解决上述问题，本发明采用如下的技术解决方案一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，网络架构采用有线通信与 无线通信相结合的异构组网方式，各个子网采用星状拓扑，由射频信号空中接口和异步通 信串行 接口分层次组成两级网络，完成数据传输工作；网络由子网数据采集节点ED-S、子 网数据汇聚节点AP-S、主干网接收节点ED-M和主干网汇聚节点AP-M四种节点构成。其中 子网数据采集节点ED-S包括相互连接的传感器模块、能量管理模块、射频模块；子网数据 汇聚节点AP-S、主干网接收节点ED-M和主干网汇聚节点AP-M包括能量管理模块和射频模 块。在上述技术方案中，进一步地，所述子网数据采集节点ED-S，用于采集矿井下的多 种环境数据，并以无线方式将数据传输给子网内部的子网数据汇聚节点AP-S ；所述子网数 据汇聚节点AP-S设置于每一个子网中，是该子网与主干网的通信接口，用于与其它子网数 据采集节点ED-S构建无线传感器网络，节点AP-S无线接收子网数据采集节点ED-S发送的 传感数据，并通过异步串行通信接口传输给主干网中对应的主干网接收节点ED-M，同时完 成部分网络管理工作，确定子网内部终端节点成功加入网络，非子网内部终端节点拒绝加 入请求；所述主干网接收节点ED-M设置在主干网中，是子网数据汇聚节点AP-S与主干网通 信的连接点，每个ED-M节点对应一个子网，负责通过串口接收对应子网发送的传感数据， 并通过无线传输方式将数据发送给主干网的AP-M节点；所述主干网汇聚节点AP-M设置在 主干网中，是整个网络的最顶层节点，用于无线接收对应各子网的ED-M节点所发送的传感 器数据，并将所有数据通过串行通信方式发送至网关，同时完成部分网络管理工作，确定主 干网接收节点ED-M加入网络，非主干网接收节点拒绝加入请求。所述子网数据采集节点ED-S通过空中接口将采集的数据发送至子网内AP-S节
点ο所述主干网接收节点ED-M还设有串口通信模块，所述串口通信模块的波特率设 置为19200Kb/s，采用8位数据位，1位停止位。未设置校验位和流控制位。每个串口帧的 帧长度为29个字节，其中以两个字节的“E”为帧头标志位，以一个字节的“ ！，，为帧尾标志 位。所述传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、可燃气体传感器、压力传感器、氧 气浓度传感器。其中，湿度传感器HIH-4000的V+与能量供应模块的电源芯片SP6641B-5. 0 的Vout (+5V)相连，Vout与第一 24脚接口 JPl相连，通过第一 24脚接口 JPl接入射频模 块P0_4 口，用于矿井下湿度的测量；可燃气体传感器KGS-20的V+与能量供应模块的电源 芯片TPS62001的Vout (+0. 9V)相连，Vout与第一 24脚接口 JPl相连，通过第一 24脚接口 JPl接入射频模块P0_5 口，用于矿井下瓦斯等可燃气体浓度的测量；压力传感器MPXH6115A 的V+与能量供应模块的电源芯片SP6641B-5. O的Vout (+5V)相连，Vout与第一 24脚接口 JPl相连，通过第一 24脚接口 JPl接入射频模块P0_6 口，用于矿井下大气压力的测量；氧 气传感器MAX-250直接输出至第一 24脚接口 JPl，通过第一 24脚接口 JPl接入射频模块P0_7 口，用于矿井下氧气浓度的测量。其中，所述湿度传感器是一个热固塑料型电容传感元件，具有低功率、高精度和 快速响应的特点，典型工作电流仅为200微安；可燃气体传感器以二氧化锡为基本敏感材 料，是专用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器，具有极高灵敏度和极快的响应 速度；压力传感器以气压测量为主，适用于环境监测，气体压力控制等领域，耐高温，精确度 高；氧气传感器使用最新的电化学技术，采用无腐蚀性的电解液，可完全过滤其它气体干 扰，信号稳定。射频模块包括相互电连接的嵌入式微处理器、天线、射频电路、外围电路、第一 24 脚接口 JP1、第二 10脚接口 JP2。其中，第二 24脚接口 JPl为双排接口，与微处理器的I/O 端口 PO 口、Pl 口和电源连接，第二 10脚接口 JP2为双排接口，与微处理器的电源引脚、复 位引脚与编程引脚相连接。嵌入式微处理器内部集成有915MHz无线收发芯片，其射频引脚 通过射频电路与天线相连接，用于无线收发数据，第一 24脚接口 JPl连接能量供应模块的 第三24脚接口 Hl，实现这两个模块的电连接，控制整个传感器节点的操作，存储和处理传 感器模块采集的数据以及从其他传感器节点发来的数据，并与其他传感器节点以无线通讯 的方式交换信息。其中，所述嵌入式微处理器集成了一个加强型8051单片机和一个工作于915MHz 国际ISM频段的无线收发芯片，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性，完全适用 于工业环境监测等领域。能量供应模块包括印制电路板上置有的电池、电池盒、电源管理芯片 SP6641B-5. 0、电源管理芯片TPS62001、电源管理芯片LMl 117-3. 3以及第三24脚接口 Hl， 粘于印制电路板上的电池盒内装有电池，并通过导线与印制电路板电连接。电源管理芯片 SP6641B-5. 0的V_BATT连接电池盒，由电池供电，输出V_out与湿度传感器HIH-4000的V+ 及压力传感器MPXH6115A的V+相连，为传感器供电。电源管理芯片SP6641B-5. 0输出Vout 还与电源管理芯片TPS62001的Vin和电源管理芯片LMl 117-3. 3的Vin相连，为电源管理 芯片提供输入电压。电源管理芯片TPS62001的Vin与电源管理芯片SP6641B-5. 0的Vout 相连，输出Vout与可燃气体传感器KGB-20的V+相连，为可燃气体传感器KGB-20供电。电 源管理芯片LMl 117-3. 3的Vin与电源管理芯片SP6641B-5. O的Vout相连，输出Vout与第 三24脚接口电路相连，为射频模块供电。所述第三24脚接口 Hl与所述射频模块第一 24 脚接口 JPl电连接，将各模块连接成一个传感器节点整体，用于所述能量模块、传感器模块 及射频模块间相互传递信息。所述基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统采用915MHz的国际ISM频 段无线电信号，在902MMHZ到928MHz之间以200KHz频率间隔形成多个通信信道，每个子网 使用不同信道，有效防止了由于节点过多造成的无线信道通信拥塞。与现有技术相比，本发明所提供的技术方案中，每个子网不设置过多终端数据采 集节点，以减小各子网汇聚节点能耗。为了保证终端数据采集节点的数量和所谓“尘埃布 设”，本发明涉及多个子网组建无线传感器网络。为解决2. 4GHZ频段的射频信号在矿下严重 衰减的问题，本发明主干网采用915MHz的国际ISM频段无线电信 号，在902MMHZ到928MHz 之间以200KHz频率间隔形成多个通信信道，每个子网使用不同信道，有效防止了由于节点 过多造成的无线信道通信拥塞；而为解决无线传感器网络的多跳传输问题，网络采用无线射频信号通信与有线通信相结合的异构通信方式。本发明功耗少，快速组网，提高了网络的 稳定性和寿命，也提高了通信的可靠性。
图1为无线传感器网络示意图。 图2为子网数据采集节点示意图。图3为主干网接收节点示意图。图4为数据汇聚节点示意图。图5为终端数据采集节点的组成框图。图6为射频模块的原理图。图7为传感器模块的原理图。图8为能量供应模块的原理图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施实例对本发明作进一步详细描述。如图1所示，本发明所描述的无线传感器网络，由若干个子网、一个主干网和一个 网关构建而成，各子网和主干网都使用独立频率的通信信道进行无线通信，互不干扰。子网 中分别由若干个子网数据采集节点ED-S和子网数据汇聚节点AP-S组成。每个子网中的节 点烧写入对应的网络号，使其只能与本子网中的其它节点进行无线通信，保证了各个子网 中的节点不会由于加入错误的网络而造成数据丢失。所述若干子网数据采集节点ED-S首 先加入到由子网数据汇聚节点AP-S建立的网络，再通过无线通信方式，将传感器数据发送 至子网数据汇聚节点AP-S。子网数据汇聚节点AP-S与其它采集节点构建无线传感器网络， 通过无线接收子网内数据采集节点ED-S发送的数据帧，将所有收到的数据使用串口通信 方式发送至主干网的主干网接收节点ED-M，同时完成部分网络管理工作。所述主干网接收 节点ED-M，唯一地对应着每个子网，通过串口通信方式，负责接收子网数据汇聚节点AP-S 发送的所有子网传感器数据，并将收到的数据使用无线方式发送至主干网数据汇聚节点 AP-M。所有子网中各相应节点均要完成上述工作内容。对主干网中的数据汇聚节点AP-M， 最终将把其接收到的数据发送至网关，供上层服务器监测使用。如图2所示，终端数据采集节点是由挂载了特定传感器装置的传感器模块，用于 与子网内部数据汇聚节点AP-S进行无线通信的无线收发模块，用于数据处理的数据处理 器模块以及供电模块构成。供电模块采用锂电池为节点各部分供电，传感器采集周围环境 的特定数据，数据处理器为一块加强型51单片机，用于定时接收传感器数据并进行数据帧 格式的校正，将符合特定格式的数据帧发送至无线收发模块，发送至数据汇聚节点。如图3所示，主干网接收节点ED-M相比于子网数据采集节点ED_S，减少了传感器 模块，增加了串口通信模块。串口模块主要用于接收对应子网数据汇聚节点AP-S发送的子 网传感器数据。使用串口通信方式，解决了子网与主干网的数据交互任务，而有线传输也进 一步保证了数据的可靠性。对于无线收发模块，主要用于加入主干网络并将各子网的传感 器数据发送至主干网数据汇聚节点。如图4所示，数据汇聚节点示意图与图3中所示各模块一致，但实现功能有所不同。对于子网的数据汇聚节点AP-S，所 示无线收发模块由无线收发芯片构成，用于接收由 子网数据采集节点ED-S发送的传感器数据，收到的数据将由串口通信，发送至对应该子网 的主干网接收节点ED-M ；对于主干网汇聚节点AP-M，所示无线收发模块由无线收发芯片构 成，用于无线接收由主干网接收节点ED-M所发送的各子网传感器数据，收到的数据将由串 口通信发送至网关，由上位机对数据作进一步处理。如图5所示，子网数据采集节点的组成框图，包括传感器模块、射频模块和能量处 理模块，传感器模块直接与能量处理模块电连接，射频模块通过第一 24脚接口 JPl和第三 24脚接口 Hl与传感器模块和能量处理模块电连接。如图6所示，射频模块的原理图，包括嵌入式微处理器、天线、射频电路、外围电 路、第一 24脚接口 JPl、第二 10脚接口 JP2。其中，第二 24脚接口 JPl为双排接口，与微处 理器的I/O端口 PO 口、Pl 口和电源连接，第二 10脚接口 JP2为双排接口，与微处理器的电 源引脚、复位引脚与编程引脚相连接。嵌入式微处理器内部集成有915MHz无线收发芯片， 其射频引脚通过射频电路与天线相连接，用于无线收发数据，第一 24脚接口 JPl连接能量 供应模块的第三24脚接口 H1，实现这两个模块的电连接，控制整个传感器节点的操作，存 储和处理传感器模块采集的数据以及从其他传感器节点发来的数据，并与其他传感器节点 以无线通信的方式交换信息。如图7、图8所示，传感器模块和能量供应模块的原理图。能量供应模块包括电池、 电池盒、电源管理芯片SP6641B-5. 0、电源管理芯片TPS62001、电源管理芯片LMl 117-3. 3以 及第三24脚接口 H1，粘于印制电路板上的电池盒内装有电池，并通过导线与印制电路板电 连接。电源管理芯片SP6641B-5. 0的V_BATT连接电池盒，由电池供电，输出Vout与湿度传 感器HIH-4000的V+及压力传感器MPXH6115A的V+相连，为传感器供电。电源管理芯片 SP6641B-5. 0输出Vout还与电源管理芯片TPS62001的Vin和电源管理芯片LMl 117-3. 3的 Vin相连，为电源管理芯片提供输入电压。电源管理芯片TPS62001的Vin与电源管理芯片 SP6641B-5. O的Vout相连，输出Vout与可燃气体传感器KGB-20的V+相连，为可燃气体传 感器KGB-20供电。电源管理芯片LMl 117-3. 3的Vin与电源管理芯片SP6641B-5. O的Vout 相连，输出Vout与第三24脚接口电路相连，为射频模块供电。所述第三24脚接口 Hl与所 述射频模块第一 24脚接口 JPl电连接，将各模块连接成一个传感器节点整体，用于所述能 量模块、传感器模块及射频模块间相互传递信息。传感器模块包括湿度传感器、可燃气体传 感器、压力传感器、氧气传感器。其中，湿度传感器HIH-4000的V+与能量供应模块的电源 芯片SP6641B-5. O的Vout (+5V)相连，Vout与第一 24脚接口 JPl相连，通过第一 24脚接 口 JPl接入射频模块P0_4 口，用于矿井下湿度的测量；可燃气体传感器KGS-20的V+与能 量供应模块的电源芯片TPS62001的Vout (+0. 9V)相连，Vout与第一 24脚接口 JPl相连， 通过第一 24脚接口 JPl接入射频模块P0_5 口，用于矿井下瓦斯等可燃气体浓度的测量； 压力传感器MPXH6115A的V+与能量供应模块的电源芯片SP6641B-5. O的Vout (+5V)相连， Vout与第一 24脚接口 JPl相连，通过第一 24脚接口 JPl接入射频模块P0_6 口，用于矿井 下大气压力的测量；氧气传感器MAX-250直接输出至第一 24脚接口 JP1，通过第一 24脚接 口 JPl接入射频模块P0_7 口，用于矿井下氧气浓度的测量。
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权利要求
一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特征在于，所述基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统的网络架构采用有线通信与无线通信相结合的异构组网方式，各个子网采用星状拓扑，由射频信号空中接口和异步通信串行接口分层次组成两级网络，完成数据传输工作；网络由子网数据采集节点ED S、子网数据汇聚节点AP S、主干网接收节点ED M和主干网汇聚节点AP M四种节点构成；其中，所述子网数据采集节点ED S包括相互连接的传感器模块、能量管理模块、射频模块；所述子网数据汇聚节点AP S、主干网接收节点ED M和主干网汇聚节点AP M包括能量管理模块和射频模块。
2.如权利要求1所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特征 在于，所述基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统采用915MHz的国际ISM频段无 线电信号，在902MMHZ到928MHz之间以200KHz频率间隔形成多个通信信道，每个子网使用 不同信道，有效防止了由于节点过多造成的无线信道通信拥塞。
3.如权利要求1所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特征 在于，所述子网数据采集节点ED-S，用于采集矿井下的多种环境数据，并以无线方式将数据 传输给子网内部的子网数据汇聚节点AP-S ；所述子网数据汇聚节点AP-S设置于每一个子网中，是该子网与主干网的通信接口，用 于与其它子网数据采集节点ED-S构建无线传感器网络，节点AP-S无线接收子网数据采集 节点ED-S发送的传感数据，并通过异步串行通信接口传输给主干网中对应的主干网接收 节点ED-M，同时完成部分网络管理工作，确定子网内部终端节点成功加入网络，非子网内部 终端节点拒绝加入请求；所述主干网接收节点ED-M设置在主干网中，是子网数据汇聚节点AP-S与主干网通信 的连接点，每个ED-M节点对应一个子网，负责通过串口接收对应子网发送的传感数据，并 通过无线传输方式将数据发送给主干网的AP-M节点；所述主干网汇聚节点AP-M设置在主干网中，是整个网络的最顶层节点，用于无线接收 对应各子网的ED-M节点所发送的传感器数据，并将所有数据通过串行通信方式发送至网 关，同时完成部分网络管理工作，确定主干网接收节点ED-M加入网络，非主干网接收节点 拒绝加入请求。
4.如权利要求1所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特征 在于，所述子网数据采集节点ED-S通过空中接口将采集的数据发送至子网内AP-S节点。
5.如权利要求1所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特征 在于，所述子网数据采集节点ED-S的传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、可燃气体 传感器、压力传感器、氧气浓度传感器；其中，湿度传感器、可燃气体传感器和压力传感器分 别与能量管理模块相连，所述能量管理模块与第一 24脚接口相连，通过第一 24脚接口接入 射频模块，分别用于矿井下湿度、可燃气体浓度和大气压力的测量；氧气浓度传感器直接输 出至第一 24脚接口，通过第一 24脚接口接入射频模块，用于矿井下氧气浓度的测量。
6.如权利要求1所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特 征在于，所述主干网接收节点ED-M还设有串口通信模块，所述串口通信模块的波特率为 19200Kb/s，采用8位数据位，1位停止位；每个串口帧的帧长度为29个字节，其中以两个字 节的“E”为帧头标志位，以一个字节的“ ！ ”为帧尾标志位。
7.如权利要求1所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特征在于，所述射频模块包括嵌入式微处理器、天线、射频电路、外围电路、第一 24脚接口 JP1、 第二 10脚接口 JP2 ；所述能量供应模块包括电池、电源管理芯片SP6641B-5.0、电源管理芯 片TPS62001、电源管理芯片LM1117-3. 3以及第三24脚接口 HI。
8.如权利要求5所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特征 在于，所述湿度传感器是一个热固塑料型电容传感元件，具有低功率、高精度和快速响应的 特点，工作电流为200微安；可燃气体传感器以二氧化锡为基本敏感材料，是一种用于可燃 气浓度检测的半导体型气体传感器；所述压力传感器以气压测量为主，适用于环境监测，气 体压力控制等领域，耐高温，精确度高；所述氧气传感器使用最新的电化学技术，采用无腐 蚀性的电解液，可完全过滤其它气体干扰，信号稳定。
9.如权利要求7所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特征 在于，所述嵌入式微处理器集成了一个加强型8051单片机和一个工作于915MHz国际ISM 频段的无线收发芯片，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性，适用于工业环境监 测领域。
10.如权利要求1所述的一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，其特 征在于所述第二 10脚接口，还能用作传感器节点编程。
全文摘要
本发明是一种基于异构多通道无线传感器网络的井下监测系统，涉及矿下无线传感器网络的技术应用领域。本发明的网络架构采用有线通信与无线通信相结合的异构组网方式，各个子网采用星状拓扑，由射频信号空中接口和异步通信串行接口分层次组成两级网络，完成数据传输工作；网络由子网数据采集节点ED-S、子网数据汇聚节点AP-S、主干网接收节点ED-M和主干网汇聚节点AP-M四种节点构成；其中，子网数据采集节点ED-S包括相互连接的传感器模块、能量管理模块、射频模块；所述子网数据汇聚节点AP-S、主干网接收节点ED-M和主干网汇聚节点AP-M包括能量管理模块和射频模块。本发明提高了网络的稳定性和寿命，以及通信的可靠性，同时网络分组更加迅速，可满足多种无线传感器应用。
文档编号E21F17/18GK101938514SQ20101026293
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月26日 优先权日2010年8月26日
发明者刘涛, 周贤伟, 杜利平, 王建萍, 王超, 袁向全, 赵东峰 申请人:青海西部矿业科技有限公司;青海西部矿业工程技术研究有限公司;北京科技大学