衛(wèi)文慧 龍水軍

【摘要】煤礦安全問題一直是制約煤礦發(fā)展的關鍵因素，解決該問題的辦法之一就是建立一套可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化管理。本文利用高性能微處理器S3C2440A采集礦井下重要環(huán)境點的圖像、有害氣體等數(shù)據(jù)。進行相關的算法處理后傳送給附近的ZigBee節(jié)點，然后通過ZigBee節(jié)點組成的傳感網(wǎng)絡進行無線傳輸，最終在控制端實現(xiàn)對每個節(jié)點的實時監(jiān)控。結(jié)果表明，本文設計的智能化礦井監(jiān)控系統(tǒng)能大大提高礦井的管理力度，降低礦井下的事故發(fā)生率，提高工作效率。

【關鍵詞】無線傳感網(wǎng);ZigBee;S3C2440A;嵌入式系統(tǒng)

引言

近年來，我國對能源的需求不斷增加，在一定程度上導致我國煤礦開采量不斷上升。煤礦采煤方法與技術在煤礦開采中扮演著重要的角色，其中礦井安全是必須考慮的問題。我國煤礦事故常年位居世界前列，要避免煤礦事故，減少傷亡，就必須及時了解井下空氣中有害氣體含量和人員定位信息[1-2]。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，需要先組建一個高效可行的網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能[3-4]。

1.礦井監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

本文設計的礦井監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對井下安置的節(jié)點周圍環(huán)境的監(jiān)控，包括各種有害氣體、圖像等。包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和上位機控制系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)對各個與之相連的傳感器進行數(shù)據(jù)的采集和處理，并最終通過串口將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，通過自組網(wǎng)實現(xiàn)無線傳輸功能。當數(shù)據(jù)到達上位機控制端時，則可以對該節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分析并實現(xiàn)相應的控制。具體的流程如圖1所示：

圖1 礦井監(jiān)控系統(tǒng)總體設計圖

2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文中數(shù)據(jù)采集端微處理器采用的是ARM9系列的S3C2440A，主要實現(xiàn)圖像、溫濕度、二氧化碳、一氧化碳、天然氣等數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)為開放性架構(gòu)，可以增添數(shù)字傳感器。系統(tǒng)總體實現(xiàn)流程圖如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計圖

2.1 微處理器S3C2440A介紹

S3C2440A是三星公司生產(chǎn)的一款低功耗和高性能的小型芯片微控制器。其最高晶振能達到405MHZ。該芯片功耗低，簡單精致且全靜態(tài)設計適合于對成本和功率敏感型的應用，采用總線架構(gòu)如先進微控制總線構(gòu)架（AMBA）。S3C2440A 的突出特點是其處理器核心由Advanced RISC Machines（ARM）公司設計的16/32位ARM920T的RISC處理器。ARM920T實現(xiàn)了MMU、AMBA總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16KB指令高速緩存和16KB數(shù)據(jù)高速緩存。這里微處理器S3C2440A的存儲單元包括一個64M的SDRAM、一個2M的NOR FLASH和一個256M的NAND FLASH。SDRAM的型號為K4S561632C-TC75，其作用是為程序提供一個運行的虛擬內(nèi)存，但不能保存數(shù)據(jù)，掉電即丟失。NOR FLASH的型號為 SST39VF1601，其主要存儲系統(tǒng)運行的Bootloader（引導程序），一般該單元燒寫引導代碼后不經(jīng)常改動。NAND FLASH的型號為K9F2G08，其主要功能是用來存儲燒入的程序代碼，掉電不丟失。其連接示意圖如圖3所示：

圖3 S3C2440A存儲單元示意圖

2.2 圖像采集的具體實現(xiàn)

圖像傳感器采用的型號為OV7620，OV7620屬于CMOS圖像傳感器，由它組成的圖像采集系統(tǒng)，比較常見的有：OV7620搭配OV5ll+、CPLD或FPGA。OV511+、CPLD或FPGA采集的圖像數(shù)據(jù)通過USB 總線或雙端口RAM 輸出到PC或MCU（ARM、DSP等），由PC或MCU對圖像數(shù)據(jù)進行下一步的處理。本文所設計的圖像采集系統(tǒng)僅用一個ARM芯片就實現(xiàn)了OV7620 的功能配置、時序同步、數(shù)據(jù)采集與處理等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊實用。OV7620的供電電壓為5V，直接在ARM板子上取電。用到的引腳有：數(shù)字信號輸出Y0...Y7，奇偶場信號FOOD，像素同步信號PCLK，行信號HREF，場信號VSYNC，芯片復位引腳RST，模擬信號輸出VTO（用于調(diào)試對焦），SCCB讀寫引腳SCL、SDA，電源引腳VCC（+5V）、GND，一共18個管腳。由于S3C2440A的特殊性，其引腳中集成有對應的攝像頭引腳，且和OV7620要用到的引腳正好一一對應，只需對應接上即可，然后就可進行編程采集數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器采用的型號是AM2305，與單片機之間采用IIC通信，通過發(fā)送配置指令即可接收傳感器自動發(fā)送的數(shù)據(jù)。二氧化碳傳感器采用的型號是MG811，上電后通過采集輸出引腳的電壓值，轉(zhuǎn)換為相應的二氧化碳濃度值即可得到真實的數(shù)值。一氧化碳傳感器采用的型號是MQ-9，MQ-9氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）檢測可燃氣體甲烷、丙烷并清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。通過S3C2440A采集輸出引腳的電壓值，然后轉(zhuǎn)換為一氧化碳濃度即可。另外類似的傳感器還有天然氣傳感器、空氣質(zhì)量傳感器。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采集到上述數(shù)據(jù)后需要經(jīng)過一定的處理才能進行傳送，這里對每一個傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行打包處理，包括前導符和標識符的標識。由于數(shù)字圖像傳感器采集的數(shù)據(jù)量比較大，這里必須對其進行壓縮處理，采用DCT壓縮方法，其處理流程如圖4所示[5]：

圖4 數(shù)字圖像壓縮流程圖

8X8的DCT和IDCT表達式為：

（式1）

經(jīng)過上述壓縮算法，采集多組數(shù)據(jù)進行分析，通過下式即可計算出壓縮比，其中LS為原數(shù)據(jù)量，Ld為壓縮之后的數(shù)據(jù)量：

（式2）

可計算出壓縮比的大致范圍為：75.4%～ 91.1%。當對每個傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理后即可傳送給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

圖5 ZigBee監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計

Zigbee協(xié)議棧是一組基于IEEE 802.15.4的無線網(wǎng)絡標準，它采用分層結(jié)構(gòu)，根據(jù)開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)模型，具有物理層（PHY）、媒體介質(zhì)訪問層（MAC）、網(wǎng)絡層（NWK）和應用層（APL）。網(wǎng)絡層和應用層的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4 標準定義物理層和媒體介質(zhì)訪問層[6-8]。CC2430/CC2431單片機是TI公司生產(chǎn)的一款專用于IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的片上系統(tǒng)解決方案。芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430/CC2431休眠模式和主動模式的轉(zhuǎn)換時間短，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。CC2430與CC2431的區(qū)別在于：CC2431有定位跟蹤引擎，CC2430無定位跟蹤引擎，在外觀上CC2430與CC2431完全一樣。

ZigBee礦井綜合監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸部分的主要硬件是圍繞核心芯片CC2430/CC2431搭建的一套開發(fā)板，并在開發(fā)板上預留足夠的外部接口引腳。由于CC2430與CC2431引腳互相兼容，所以CC2430的PCB設計同樣適用于CC2431。本系統(tǒng)的參考節(jié)點（RefNode）采用CC2430芯片，定位節(jié)點即盲節(jié)點（BlindNode）采用CC2431芯片，這兩種設備的芯片外圍設計（PCB模塊設計）是完全一致的。如圖5所示，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)放置若干個CC2430模塊作為參考節(jié)點，在其中一個或幾個參考節(jié)點上連接一套環(huán)境信息采集設備，一個代替定位目標的CC2431模塊作為定位節(jié)點，即可構(gòu)成一個ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡最終通過協(xié)調(diào)器和計算機連接，組成一個完整的ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)。

表1 數(shù)據(jù)傳輸誤碼率試驗

實驗次數(shù) 發(fā)送字節(jié)數(shù) 接收字節(jié)數(shù) 誤碼率

20 100 100 0

20 2000 2000 0

20 10000 10000 0

20 20000 20000 0

4.實驗結(jié)果分析

通過上述設計搭建的監(jiān)控系統(tǒng)，最主要的一點就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確傳輸，下面通過大量實驗來驗證該方案的傳輸誤碼率。由表1可以看出，當發(fā)送的字節(jié)數(shù)在20000以下時，誤碼率為0，可見搭建的系統(tǒng)是可行的。

5.總結(jié)

本文主要搭建了一個煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)。采用高性能微處理器S3C2440A來收集井下節(jié)點周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行一定的處理后，通過ZigBee技術搭建的傳感網(wǎng)絡進行傳輸，最終在上位機控制端實現(xiàn)顯示和控制功能。結(jié)果表明該方案是可行的，本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)已在具體煤礦環(huán)境中實現(xiàn)應用，對于減小煤礦井下的事故發(fā)生率、實現(xiàn)智能化管理有很好的效果。

參考文獻

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作者簡介：衛(wèi)文慧（1983―），男，安徽無為人，工程師，主要從事礦用安全儀器儀表、監(jiān)控系統(tǒng)、有線/無線通信、救生艙的研究和檢驗工作。