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分布式煤矿监控系统无线网络拓朴结构的设计


  煤炭技术信息技术分布式煤矿监控系统无线网络拓朴结构的设计王冲,兰翠(黑龙江科技学院计算机与信息工程学院,哈尔滨150027控系统网络结构的基础之上,引入分步式理念进行数据微处理模块的网络布局,并将传感器技术、分布式技术、ZigBee技术与GPRS技术有效地结合在一起,设计一种新型的分布式煤矿监控系统无线网络拓朴结构,为煤矿安全监控系统提供新的解决方案。
  基金项目:黑龙江科技学院引进人才科研启幼基金(08-37)0前言随着电子技术、自动化技术、计算机软硬件及通信网络技术的发展,我国自主研发了一系列煤矿安全化、网络化的监测监控系统,其中计算机网络技术、数字通信技术、微电子技术成为煤矿行业中信息化技术的应用主流,但由于矿区长期处于粗放经营管理模式以及国家在煤矿信息技术应用上投入不足,目前我国煤矿行业信息化水平与国外相比仍然较低,信息技术应用不平衡,适用于煤矿井下的信息技术、电子信息产品和信息系统的研发及产业化水平相对落后,通讯设备比较单一,存在中断间距远、布设电缆成本高、井下终端数量少、通讯不够畅通等问题。本文将讨论一个优化的无线网络拓朴结构设计方案,提高分布式煤矿监控系统通信的安全性、便捷性、可靠性,从而降低煤矿事故的发生率,减少因事故发生所造成的人身和财产的巨大损失。
  1当前媒矿监控系统中主要的无线通信方式当前媒矿监控系统中主要的无线通信方式有GPRS通信方式和ZigBee通讯方式。GPRS通讯方式是基于现有的GSM系统上发展起来的,它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式,只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换,分组技术是通过“包交换”实现的一套无线传输方式。所谓“包交换”就是将Data封装成许多独立的封包,再将这些封包一一传送出去,形式上有点类似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有资料需要传送时才会占用频宽,而且可以以传输的资料量计价,这样即能加快数据传输速度,减少网络掉线的频率,又能减少通信使用费用,经济适用。
  但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,因此ZigBee联盟扩展了IEEE,对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术,主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网,每一个ZigBee网络数据传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75m,到扩展后的几百米,甚至几公里,另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。
  相比较而言,GPRS不需要现行无线应用所需要的中介转换器,传输速率可提升至56Kbps,甚至114Kbps,具有传输速率高,接入时间短,支持因特网上应用最广泛的IP协议和X.25协议,能提供Internet和其它分组网络的全球性无线接入等优点,但也存在发生包丢失现象,实际速率较低,终端不支持无线终止功能,存在转接时延等问题。ZigBee是按节点终端的数量计算的,其网络专门为控制数据的传输而设计,这对于控制数据传输具有相当的保证,并且ZigBee局部自动化控制网可以是星型,树状,网状及其共同组成的复合网结构具有使用费用低、设备投入低、通信可靠、灵活及低成本等优点,但存在覆盖区域有限等问题。
  2分布式煤矿监控系统无线网络拓朴结构的成都门禁自动门设计我国煤矿数量多,分布广,产业集中度较低,煤矿自然条件差,井工开采比重大,大部分矿坑位于斜坡地带,这造成现场数据采集点地型复杂,分散,铺设固定通信线路成本过高,恶劣自然环境影响GPRS终端易掉线,易终止功能等问题。结合GPRS通信方式和ZigBee通讯方式的优缺点,将设计一个采用GPRS进行数据通信的无线传感器网络与ZigBee局部自动化控制网相结合的分布式煤矿监控系统无线网络拓朴结构,主要由地上GPRS传输模块组成的分布式系统和矿下ZigBee传输模块组成的局部控制系统2部分组成,如所示。
  矿下ZigBee传输模块组成的局部控制系统由井下交换机连接ZigBee网络数据传模块和多个无线接入点组成,其中ZigBee网络数据传模块可跟据矿坑地形地势的实际需要选取星形结构、树形结构、总线型结构以及环型结构等进行实际布线,无线接入点则跟据ZigBee网络数据传模块的位置分布在其周围一定区域内,每个无线接入点都可以将测得的数据如瓦期浓度、一氧化碳浓度、温度、湿度等数据通过ZigBee网络数据传模块传送到井下交换机,再通过地面数据微处理模块及GPRS网络传输模块传输到数据处理中心进行数据分析和处理。当前ZigBee传输模块主要采用CC2420射频收发成都人脸识别门禁系统报价芯片组成,CC2420有33个16位配置寄存器,15个命令选通寄存器,1个128字节的串口接收存储器,1个128字节的串口发送存储器,和1个112字节的安全存储器,具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强、传输速率高、低电流消耗等优点。
  地面上的数据微处理模块具有2个主要功能,一个是进行数据转换,将从井下交换机接收来的数据进行数据初步筛选、处理以及传输到GPRS网络传输模块中。一个是具有较强的备份存储功能,能够将数据进行周期性的备份,这样的优点在于当网络可数据处理中心出现意外故障时,数据微处理模块可以成为数据备份源点,进行数据恢复,减少因数据丢失而造成的损失。
  数据处理中心的服务器可接收每个GPRS通信模块发送来的数据,并将这些数据传送给监控软件进行分析和处理,实现数据的存储、故障诊断、联锁控制等功能。数据处理中心的接入有多种方式,可结合GPRS承载网络的特点和GPRS应用领域的具体要求进行组网,监测数据通过网络实现共享,方便进行对矿进状态的查看、分析和监控。
  3结语文中设计的分布式煤矿监控系统无线网络拓朴结构有效地将GPRS远距离通信和ZigBee短距离通信结合在一起,并引入分步式理念进行数据微处理模块的网络布局,具有布网灵活、传输速度高、实时性好、能够进行有效的数据备份、恢复等优点,实现了远距离范围内的矿井环境参数监测,降低了成本,成为传感器技术、分布式技术、ZigBee技术与GPRS技术结合的新型的煤矿监控系统无线网络拓朴结构。
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