基于物联网的矿井温、湿度检测系统设计

2015-06-26 14:58:05 sophie
为了实现对矿井温、湿度检测,提出了一种基于物联网的矿井温、湿度检测系统,并完成了系统的软硬件测试。硬件包括由分布在矿井中的测量节点组成的无线传感网络,由基站节点和监控终端设备相连接形成的监控装置,软件采用MSP430 进行编程,并实现了温湿度信号检测。实际应用表明,该系统具有体积小,部署方便,成本低廉等优点。
  一、物联网技术改变工业
 
    以感知和智能为特征的新技术的出现和相互融合,使得未来信息技术的发展由人类信息主导的互联网向物与物互联信息主导的物联网转变。物联网是在计算机互联网的基础上,利用无线通信、传感器、RFID等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的"Internet of things" ,“物联网”被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为,物联网可以提高经济效益,大大节约成木,为全球经济的复苏提供技术动力。目前,美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国也正在高度关注和重视物联网的研究。
 
    物联网发展离不开应用,未来一定是结合各个行业应用来发展。而向工业自动化的工业互联网技术是物联网的关键组成部分。物联网将大大加快了工业化进程,显著提高了人类的物质生活水平,促进了企业生产和经营管理模式的改变。
 
  而向工业自动化的物联网技术是以泛在网络为基础、以泛在感知为核心、以泛在服务为目的、以泛在智能拓展和提升为目标的综合性一体化信息处理技术。所谓泛在网络,主要是指工厂范围内泛在的物物互联网络,实现对生产活动的时间和空间维度管理的拓展,显著提高了物流管理的实时性和可追溯性,对生产管理产生的影响将是巨大的。。
 
  二、基于物联网的矿井温、湿度检测系统整体介绍
 
  基于物联网的矿井温、湿度检测系统,包括由若干个测量节点组成的无线传感网络和监测装置,所述监测装置包括基站节点和监控终端设备,所述每个测量节点包括温度传感器、湿度传感器、ZigBee 协议射频收发器和微处理器,其中温度传感器、湿度传感器和ZigBee 协议射频收发器分别与微处理器相连,温度传感器、湿度传感器将检测到的温度、湿度信息发送给微处理器进行处理后通ZigBee 协议射频收发器发送给基站节点,所述基站节点接收并存储无线传感网络发送的温度、湿度信息同时将信息发送到监控终端设备上。
 
  三、基于物联网矿井温、湿度的检测系统设计
 
  基于物联网的检测系统,如图1 所示,包括由若干个测量节点组成的无线传感网络和监测装置,所述监测装置包括基站节点11 和监控终端设备12, 所述每个测量节点包括温度传感器、湿度传感器、ZigBee 协议射频收发器和微处理器,其中温度传感器、湿度传感器和ZigBee 协议射频收发器分别与微处理器相连,温度传感器、湿度传感器将检测到的温度、湿度信息发送给微处理器进行处理后通过ZigBee 协议射频收发器发送给基站节点11, 所述基站节点11 接收并存储无线传感网络发送的温度、湿度信息同时将信息发送到监控终端设备12 上。所述测量节点11 还包括显示设备, 所述显示设备与微处理器相连,用于显示处理后的温度、湿度数据。所述基站节点11 包括ZigBee 协议射频收发器、微控制器和串口电路,所述串口电路用于与监控终端设备12 相连。所述ZigBee 协议射频收发器采用CC2530 射频芯片收发电路。
 
  3.1 系统实现步骤
 
  1)在矿井内不同位置设置测量节点,所述每个测量节点设有温度传感器、湿度传感器、ZigBee 协议射频收发器、显示模块和微处理器,其中温度传感器、湿度传感器、ZigBee 协议射频收发器、显示模块分别与微处理器相连;
 
  2)布设好测量节点后选择无线传感网络和监测装置之间的工作模式;
 
  ①本地显示模式
 
  测量节点中的温度传感器、湿度传感器将采集到的温湿度信息发送到微处理器处理后通过显示模块显示此刻的温湿度数据;测量节点中的ZigBee 协议射频收发器不工作;
 
  ②远程监控工作模式
 
  测量节点中的温度传感器、湿度传感器将采集到的温湿度信息发送到微处理器处理,同时ZigBee 协议射频收发器对相邻测量节点发出的数据包进行侦听,通过记录相邻测量节点的身份标示号码来建立静态路由表;根据静态路由表中的
 
  数据,指定传感网络中的一个测量节点与基站节点的通信路径, 根据指定的路径通过多跳方式把数据包发送到基站节点,基站节点再将接收到的数据发送给监控终端设备;同时断开测量节点中微处理器与显示模块之间的连接;③本地显示模式与远程监控工作模式共同工作。 
 
  3.2 系统应用
 
  如图1 所示,本新型基于物联网的矿井温、湿度检测系统[6],包括由分布在矿井中的测量节点组成的无线传感网络,由基站节点11 和监控终端设备12 相连接形成的监控装置,所述基站节点11 与所述无线传感网络之间进行无线通信。测量节点的数目为A、B、C、D、E、F 6 个, 所述6 个测量节点之间通过无线通信方式构成无线传感器自组网,基站节点11 只与所述无线传感器网络的测量节点D 进行无线通信,而自组网中的其他节点的数据都通过该测量节点D 传输到
 
  基站节点11。如图2 所示,测量节点是由用于测量矿井周围环境的温湿度的传感器20、用于与相邻测量节点进行无线通信的CC2530 射频芯片收发电路22、用于显示测量结果的显示模块23 分别与微处理器21 相连接组成,每个所述测量节点具, 有一个电源为测量节点的各器件供电,电源为锂电池,具有体积小、低功耗的优点。显示模块23 可以采用一液晶显示。CC2530 射频芯片收发电路22 负责与相邻节点进行无线通信,建立路由,从而实现无线发送、接收和转发数据包;微处理器21 为MSP430 低功耗单片机,负责采集温、湿度传感器的数据并进行校正; 并将温湿度信息发送给显示模块23 和CC2530 射频芯片收发电路22, 或对CC2530 射频芯片收发电路22 收到的数据包进行分析,发出相关响应。
 
  如图3 所示, 基站节点11 包括微控制器31、基站节点CC2530 射频芯片收发电路32, 还要增加一个用于与监控终端设备13 相连接的串口电路33。当然,基站节点11 也可以采用具有相同功能的其他电路结构。
 
  监控终端设备13 为一个计算机, 负责接收所有测量节点发送来的数据包,对数据进行分析和管理,并根据用户要求向测量节点构成的网络发出命令。因为测量节点部署在矿井的不同位置,测量获得的信号输出就很重要。采取有线方式输出非常麻烦,施工成本高,节点放置位置也受诸多限制。本实用新型采用了无线自组网的方法将采集到的数据输出。每个测量节点上的MSP430 单片机将采集获得的数据送给CC2530 射频芯片收发电路,CC2530射频芯片收发电路通过侦听邻居节点来建立路由。CC2530射频芯片收发电路工作在915 MHz 的频率上,宽带为38.4 kHz。测量节点之间通过无线方式形成多跳自组网,将采集到的数据发送给监控终端进行存储和处理,由于采用无线方式发送数据,测量节点也没有电源线,所以测量节点采用电池供电。为了节省电能,测量节是低功耗设计。测量节点使用低功耗的MSP430 单片极, 并进行严格的电源管理控制, 具体方法为: 暂时不工作的器件全部断电,MSP430 和CC2530 射频芯片收发电路在不工作时自动进入休眠状态。整个基于物联网无线传感网络的矿井温湿度采集通信
 
  物联网应用在工业设备检测中, 是将传感器节点安装在机器难以触及的位置, 节点采集数据信号如探测振动模式, 借助于物联网技术通过多跳技术将信号发送至数据中心, 数据中心对采集的信号分析判断是否需要进行维护和对出现的故障及时地做出判断。因处于无线操作状态下, 从而避免了本身的检修问题, 而且允许对传感器进行低成本的改进安装。系统的结构示意图见图4。
图4 系统结构示意图
 
  四、结束语
 
  物联网检测系统与现有技术相比,其显著优点为:1)本系统不需要任何固定网络的支持,具有快速展开、抗毁性强等特点,能够使用户在任何时间、地点和任何环境条件下,获取矿井下大量详实而可靠的温、湿度信息;2)具有体积小、功耗少、快速组网等优点,并通过监控终端进行接收数据、发送命令、具有部署方便,成本低廉等优点。