基于无线传感器网络新技术的矿山环境监测系统设计
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中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标识码：Ｂ ｄｏｉ：１０．１４１０１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１００２－４３３６．２０１８．０４．０５０
在人为或自然因素的影响下，煤矿开采易引发 地面塌陷、地裂缝、滑坡、煤层与煤矸石自燃、煤与瓦 斯突出、瓦斯与煤尘爆炸、有害井水排放以及固体废 弃物堆放等诸多环境问题，严重影响矿区居民建筑 物与耕作农田、地表水与地下水、井巷与井下设施以 及大气环境等，威胁人们的正常生活与生产甚至安 全，亦对国民经济发展产生制约。通常，矿区都较为 空旷，人口密度小，电力等能源供给设施不多，要想进 行对整个矿区予以覆盖的有线传感器网络环境地质 监测系统的搭建存在很大的难度。基于传感器的小 型化、智能化与廉价化发展背景，无线传感器网络正 在不断提高自身的性能，它具有网络自组织性、传感 器类型多样性与便于实时监控［１］等特征，与其他传统 方法相较优势明显。随着无线传感器网络在各领域 的应用愈发受到人们的关注，将其应用于矿山环境监 测中必将有利于煤矿采集工作的顺利与安全开展。
２）可在 矿 山 进 行 安 全 且 有 效 的 红 外 防 护 栅 栏 的构造；
３）可安全、准确与实时地将数据传输给上位机
本质上看，无线传感器网络是一种分布式系统， 系统中的资源极度受限。在无线传感器网络中，存 在很多无线自主节点的相互协作与分工，它们共同 执行数据采集、处理与传输的任务。在当前无线传 感器网络的发展背景下，科学借鉴与吸收国内外的 先进研究成果，充分结合矿山的实际状况，文章研究 了基于无线传感器网络新技术的矿山环境监测系统 的体系结构，图 １所示为其总体结构。
点位于最底层，在监测环境终端部署，对矿山环境的 温度、湿度、振动加速度、粉尘等进行实时采集，在利 用传感器节点中自带的微处理器对环境数据进行处 理与加工之后，节点会借助 ＺｉｇＢｅｅ通信完成对自组 织网络的构建。之后，以多跳的方式与群内各节点相 互配合，发送处理后的数据于汇聚节点；汇聚节点根 据环境数据对终端无线传感器执行控制操作，履行对 网络的启动、对采样周期的修改以及对故障的处理与 修复等职责。再然后，进行 Ｍｅｓｈ网络的构建，通过网 关设备将数据汇聚起来，进行数据包中有用信息的提 取与存储。最后将它们统一发送到远程控制中心；远 程控制中心在接收到经过一系列处理的环境数据之 后，选择性地对它们执行存储、显示与分析等操作。
２０４
中 国 锰 业
第 ３６卷
94,56
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图 １ 基于无线传感器网络的矿山环境监测系统总体结构
３）安全 性，为 了 确 保 矿 产 资 源 的 安 全 性，避 免 地质灾害、国有资源流失等的发生，系统应进行红外 传感器的安装，构造矿山红外栅栏，实现对矿山资源 安全的有效保护；
４）友好 性，为 了 让 用 户 使 用 的 舒 心，系 统 界 面 要简洁与直观，保证按钮的美观性以及名称标注的 清晰性。
管理系统，为系统的存储、查询、分析、处理以及显示 等工作提供便利。 １．２ 性能要求
１）实时 性，矿 区 通 常 有 较 大 的 环 境 参 数 变 化 率，为了对矿山环境信息予以及时掌握，预防政策的 滞后性，系统应满足实时性要求；
２）稳定 性，环 境 状 况 的 监 测 是 需 要 长 期 进 行 的，为了确保各项功能的正常使用，系统应能够长时 间与稳定地运行８年 ８月
ＣＨＩＮＡ′ＳＭＡＮＧＡＮＥＳＥＩＮＤＵＳＴＲＹ
Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１８
基于无线传感器网络新技术的矿山环境监测系统设计
王 昆１，张 伟２
（１．西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安 ７１００７７；２．西安文理学院 陕西省表面工程与再制造重点实验室，陕西 西安 ７１００６５）
由图 １可知，矿山环境监测系统的结构具有层 次性，大致由 ３部分内容共同组成，分别为传感器节 点、汇聚节点以及远程控制中心［３］。无线传感器节
收稿日期：２０１８－０５－０７ 基金项目：西安市科技计划项目（２０１７ＣＧＷＬ１７） 作者简介：王昆（１９７８－），女，陕西华阴人，讲师，研究方向：通信、电子，手机：１３３０９２３０１５５，Ｅｍａｉｌ：ｋｕａｉｌｅ３１３＠１６３．ｃｏｍ．
１ 系统需求分析
２ 系统总体结构设计
基于无线传感器网络的矿山环境监测系统属于 一种典型的传感器网络应用，主要借助传感器节点 中内置的传感器件对矿山的温度、湿度、粉尘、一氧 化碳以及氧气等信号进行测量。文章进行的系统设 计需对以下要求予以满足［２］： １．１ 功能要求
１）对大 气 环 境、水 环 境、土 壤 环 境 等 各 项 参 数 进行实时与准确的采集及传输；
摘 要：从系统的需求分析出发，研究与设计了一种基于分布式无线传感器网络新技术的矿山环境 监测系统，系统含控制器、存储器、传感器、通信设备、电源等模块，可实现 Ｚｉｇｂｅｅ无线传感器网络 建立、传感器节点数据采集与发送、无线通信模块数据收发以及矿山环境数据实时显示、查询统 计、增删记录等功能。 关键词：无线传感器网络；矿山环境；监测系统
３ 传感器节点硬件设计
为了保证无线传感器网络在矿山环境监测中的 适用性，传感器各组成节点必须满足可靠与高效的 运行要求，设计过程中必须加强对小型化、低成本、 微功耗设计原则的重视。作为一种微型的嵌入式系 统，传感器节点所履行的职责并非传送原始数据于 网关，其真正功能在于传送所需要处理的数据。通 常情况下，一个功能齐全的传感器节点至少由 ５部 分组成：控制器、存储器、传感器与执行器、通信设备 以及电源，若想赋予传感器节点更加强大的功能，还 要对其定位系统、运动系统、执行机构以及电源再生 模块［４］等内容进行设计。图 ２所示为传感器节点 的体系结构图。
在人为或自然因素的影响下，煤矿开采易引发 地面塌陷、地裂缝、滑坡、煤层与煤矸石自燃、煤与瓦 斯突出、瓦斯与煤尘爆炸、有害井水排放以及固体废 弃物堆放等诸多环境问题，严重影响矿区居民建筑 物与耕作农田、地表水与地下水、井巷与井下设施以 及大气环境等，威胁人们的正常生活与生产甚至安 全，亦对国民经济发展产生制约。通常，矿区都较为 空旷，人口密度小，电力等能源供给设施不多，要想进 行对整个矿区予以覆盖的有线传感器网络环境地质 监测系统的搭建存在很大的难度。基于传感器的小 型化、智能化与廉价化发展背景，无线传感器网络正 在不断提高自身的性能，它具有网络自组织性、传感 器类型多样性与便于实时监控［１］等特征，与其他传统 方法相较优势明显。随着无线传感器网络在各领域 的应用愈发受到人们的关注，将其应用于矿山环境监 测中必将有利于煤矿采集工作的顺利与安全开展。
２）可在 矿 山 进 行 安 全 且 有 效 的 红 外 防 护 栅 栏 的构造；
３）可安全、准确与实时地将数据传输给上位机
本质上看，无线传感器网络是一种分布式系统， 系统中的资源极度受限。在无线传感器网络中，存 在很多无线自主节点的相互协作与分工，它们共同 执行数据采集、处理与传输的任务。在当前无线传 感器网络的发展背景下，科学借鉴与吸收国内外的 先进研究成果，充分结合矿山的实际状况，文章研究 了基于无线传感器网络新技术的矿山环境监测系统 的体系结构，图 １所示为其总体结构。
点位于最底层，在监测环境终端部署，对矿山环境的 温度、湿度、振动加速度、粉尘等进行实时采集，在利 用传感器节点中自带的微处理器对环境数据进行处 理与加工之后，节点会借助 ＺｉｇＢｅｅ通信完成对自组 织网络的构建。之后，以多跳的方式与群内各节点相 互配合，发送处理后的数据于汇聚节点；汇聚节点根 据环境数据对终端无线传感器执行控制操作，履行对 网络的启动、对采样周期的修改以及对故障的处理与 修复等职责。再然后，进行 Ｍｅｓｈ网络的构建，通过网 关设备将数据汇聚起来，进行数据包中有用信息的提 取与存储。最后将它们统一发送到远程控制中心；远 程控制中心在接收到经过一系列处理的环境数据之 后，选择性地对它们执行存储、显示与分析等操作。
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中 国 锰 业
第 ３６卷
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图 １ 基于无线传感器网络的矿山环境监测系统总体结构
３）安全 性，为 了 确 保 矿 产 资 源 的 安 全 性，避 免 地质灾害、国有资源流失等的发生，系统应进行红外 传感器的安装，构造矿山红外栅栏，实现对矿山资源 安全的有效保护；
４）友好 性，为 了 让 用 户 使 用 的 舒 心，系 统 界 面 要简洁与直观，保证按钮的美观性以及名称标注的 清晰性。
管理系统，为系统的存储、查询、分析、处理以及显示 等工作提供便利。 １．２ 性能要求
１）实时 性，矿 区 通 常 有 较 大 的 环 境 参 数 变 化 率，为了对矿山环境信息予以及时掌握，预防政策的 滞后性，系统应满足实时性要求；
２）稳定 性，环 境 状 况 的 监 测 是 需 要 长 期 进 行 的，为了确保各项功能的正常使用，系统应能够长时 间与稳定地运行８年 ８月
ＣＨＩＮＡ′ＳＭＡＮＧＡＮＥＳＥＩＮＤＵＳＴＲＹ
Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１８
基于无线传感器网络新技术的矿山环境监测系统设计
王 昆１，张 伟２
（１．西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安 ７１００７７；２．西安文理学院 陕西省表面工程与再制造重点实验室，陕西 西安 ７１００６５）
由图 １可知，矿山环境监测系统的结构具有层 次性，大致由 ３部分内容共同组成，分别为传感器节 点、汇聚节点以及远程控制中心［３］。无线传感器节
收稿日期：２０１８－０５－０７ 基金项目：西安市科技计划项目（２０１７ＣＧＷＬ１７） 作者简介：王昆（１９７８－），女，陕西华阴人，讲师，研究方向：通信、电子，手机：１３３０９２３０１５５，Ｅｍａｉｌ：ｋｕａｉｌｅ３１３＠１６３．ｃｏｍ．
１ 系统需求分析
２ 系统总体结构设计
基于无线传感器网络的矿山环境监测系统属于 一种典型的传感器网络应用，主要借助传感器节点 中内置的传感器件对矿山的温度、湿度、粉尘、一氧 化碳以及氧气等信号进行测量。文章进行的系统设 计需对以下要求予以满足［２］： １．１ 功能要求
１）对大 气 环 境、水 环 境、土 壤 环 境 等 各 项 参 数 进行实时与准确的采集及传输；
摘 要：从系统的需求分析出发，研究与设计了一种基于分布式无线传感器网络新技术的矿山环境 监测系统，系统含控制器、存储器、传感器、通信设备、电源等模块，可实现 Ｚｉｇｂｅｅ无线传感器网络 建立、传感器节点数据采集与发送、无线通信模块数据收发以及矿山环境数据实时显示、查询统 计、增删记录等功能。 关键词：无线传感器网络；矿山环境；监测系统
３ 传感器节点硬件设计
为了保证无线传感器网络在矿山环境监测中的 适用性，传感器各组成节点必须满足可靠与高效的 运行要求，设计过程中必须加强对小型化、低成本、 微功耗设计原则的重视。作为一种微型的嵌入式系 统，传感器节点所履行的职责并非传送原始数据于 网关，其真正功能在于传送所需要处理的数据。通 常情况下，一个功能齐全的传感器节点至少由 ５部 分组成：控制器、存储器、传感器与执行器、通信设备 以及电源，若想赋予传感器节点更加强大的功能，还 要对其定位系统、运动系统、执行机构以及电源再生 模块［４］等内容进行设计。图 ２所示为传感器节点 的体系结构图。