基于GPRS与ZIGBEE技术在矿井监测系统的研究

摘　要：本文研究目的是通过分析国内外的矿井监测系统并联系我国的实际情况，运用Zigbee技术和GPRS技术来实现一套无线矿井监测系统，解决从系统组网方式到系统软硬件设计等方面的技术难点，为矿井监测系统的设计提供了一套完整的解决方案。

关键词：无线矿井监测系统；Zigbee；GPRS
引言
　　随着煤炭行业信息网络化的发展，我国多数煤矿企业生产工程实践过程中基本采用了各种各样的安全监测监控系统，并且发挥一定的积极参作用。但是现有的监控系统设计大多数是以某项技术为主，并没有充分考虑信息技术的综合集成功能，因此造成了系统功能单一﹑成本偏高﹑重复投资的不利局面，以至给先进技术的进一步推广应用造成很多困难。把无线传感器网络应用到煤矿安全监测监控系统中，通过各种传感器实时采集煤矿井下的环境信息，由嵌入式系统对采集数据进行处理，通过自组织无线网络将信息传输到井外的监控终端设备，能够有效弥补有线设备的许多缺陷，具有价廉﹑便携﹑可靠性高﹑易于校正等优点。
1. 矿井监测系统设计思想
　　为了解决无线矿井监测系统的问题，国内外进行多年探索实践，但此项技术并未成熟，国内大部分矿井监测系统使用的技术是无线GPRS技术与有线RS-485技术相结合。本系统是基于Zigbee技术和GPRS技术相结合无线矿井监测系统设计．系统设计思想是：在煤矿井下利用ZigBee技术构建无线传感器网络，把各种传感器(温湿度传感器、瓦斯浓度传感器、压力传感器等)与Zigbee模块结合
在一起形成无线传感器网络的终端结点，终端结点把采集的数据通过多级路由结
点(由ZigBee模块构成)传送到网络协调器(由ZigBee模块构成)上，煤矿井下的所有采集数据都汇集到网络协调器上，网络协调器通过RS-232总线接口与GPRS通信模块相连接，GPRS通信模块将数据组成GPRS分组，通过GPRS网络和Internet网络送到远距离煤矿监测中心的服务器上。煤矿监测中心除了接收上传的采集数据外，同时可以通过Internet网络，GPRS网络和无线传感器网络向无线传感器网络的终端结点发出各种指令。煤矿监测中心接入Internet网络并且具有外部IP地址，在对GPRS模块进行了GPRS附着和PDP（Packet Data Protocol,分组数据协议）上下文激活过程后，我们可以使用GPRS网络和ZigBee网络来进行系统的双向通信。
2. 矿井监测系统整体方案规划及方案设计
　　煤矿信息监测系统的通信信道主要包括煤矿信息监测管理中心与集中器的通信信道和集中器与采集器的通信信道。绝大部分煤矿信息监测系统都可以采用分布式体系结构，分布式体系结构分为上下两层： 上层（煤矿信息监测管理中心与集中器之间）数据的采集采用星型结构，上层信道采用了GPRS网络和Internet网络；下层（集中器与采集器之间）数据的采集采用网状结构, 下层信道采用ZigBee技术的无线传感器网络。
    在本设计系统中，煤矿信息监测管理中心是具有接收汇集数据、数据分析、存储功能的服务器。采集器是由传感器模块和CC2430模块构成；采集器通过传感器模块把采集到的数据传送给CC2430模块。集中器的主要功能就是数据的接收、汇总和转发，集中器主要是由CC2430模块和GPRS模块构成。集中器利用ZigBee网络把采集器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GPRS网络把数据传送给管理中心。因此，为了实现数据汇总和转发，集中器必须具有两部分通信功能：一是采集器和集中器之间的短距离无线通信，这部分通信主要由ZigBee无线网络通信来完成；二是集中器和煤矿信息监测管理中心之间的远距离通信，这部分通信主要由GPRS网络和Internet网络来完成。在本设计方案中集中器又称为数据传输终端设备，其设计实现成为本系统的关键部分。

图1  煤矿信息监测系统结构框图
　　
　　基于Zigbee与GPRS技术的煤矿信息监测系统组成原理框图如下图3所示。该系统是由传感器模块、CC2430模块、GPRS模块、GPRS网络、Internet网络等几个部分组成。传感器模块将采集的参数传送到采集器中的CC2430模块，经天线发射出去后，经过路由节点进行转发到集中器的CC2430模块, CC2430模块处理后的数据通过RS-232总线接口传送给GPRS模块，再由GPRS模块发射出去，经过GPRS网络和Internet网络送到煤矿信息监测系统中心的上位机。

图2  煤矿信息监测系统组成原理框图
3. 矿井监测系统关键技术及实现的技术路线
3.1数据传输终端设备
　　数据传输终端一方连接着Zigbee网络，另一方连接着GPRS网络，起着管理和协调Zigbee网络和GPRS网络通信的作用。数据传输终端设计要求和难度都比较高，一般要完成硬件和软件的设计。
　　终端的总体结构示意图如图3所示，主要以CC2430为核心，通过RS232接口控制GPRS模块建立同移动基站的链接，以及CC2430模块与采集器中的CC2430模块的网络链接。
　　　　  图3  数据传输终端的总体结构示意图
3.2  GPRS模块和GPRS网络
　　GPRS作为通信的通道具有重要作用,选择GRPS模块的指标有：信号质量、断线情况、可靠性、GPRS数据模块接口、电源管理和耗电量以及价格。该设计中GPRS模块可选用目前场普遍使用的晨讯公司的SIMCOM300模块，西门子公司的MC39I模块，支持数据、语音、短消息等各种数据业务，通过RS-232接口利用AT命令对模块进行控制和数据传送。
　　无线通信对于分布范围广，布局分散的户用计量仪表是一种比较适用的通信方式。GSM网络覆盖范围广，通信可靠，成本低。但是实时性差，通信流量受到短消息140个字节限制，不适合大数据量的通信，于是采用通用分组无线业务GPRS（General Packet Radio Service）技术进行数据传输。GPRS网络在以有的GSM网络的基础上加入分组交换功能，支持TCP／IP协议，可以与分组数据网互通，提高了数据传输速率和传输量，而且采用合理的按流量计费方式。
　　GPRS是目前较好的无线传输方式，在仪器的远程通信方面有较高的性价比，可以提供远程控制、在线控制、实时采集等功能。因此我们采用GPRS网络作为无线矿井监测系统的上层通信方式来设计仪器的通信接口。同时根据现场环境的智能仪器仪表小型化、操作简单和成本低等要求，采用MCU为控制单元来构建整个应用系统。
3.3 矿井监测系统管理中心软件
　　管理软件系统采用模块化的设计思想，便于系统管理。管理软件系统将不同的功能封装成相互独立的几大功能模块。本系统 的开发设计中，根据需求划分为通讯管理管理、抄表管理、报警管理、系统综合管理等几个功能模块，根据模块内容完成诸如登录、添加、删除、查询等基本功能。终端数据通过无线网络传输，实现远程管理。
4．总结
　　虽然国内出现了一些矿井监测系统，但是技术并不成熟，所以矿井监测系统的研究还是有较大的发展空间。在总结前人的矿井监测系统的基础上，结合我国的实际情况，设计了这种经济实用的矿井监测系统。这种矿井监测系统在工作中可靠，抄送准确，免维护三大核心技术问题上取得一定突破，矿井监测系统才能真正进入实用阶段。