项目原理 无线瓦斯传感器，研制应用于煤矿安全监控的， 具有人员定位功能的，以固定安装与人员携带移动方式相结合的无限 传感器。该项目包括无线传感器节点的硬件设计，无线传感器节点的 网络协议栈的设计以及传感器系统软件控制软件的设计等。 其中，无线传感器节点是由瓦斯监测传感器控制器单元，无线 收发单元，存储器单元以及供电单元组成。 无线传感器节点的网络协议栈则是根据在发布的 的基础上经项目小组完善而成的协议族完成数据的 传输。 控制器处理程序用程序完成后留在控制器存储器中，个功 能是对传感传送的电子信号进行处理，得到煤炭瓦斯监测数据并贮存 在寄存器中，另个功能是设置传感器的参数，如传感器编号，用于 识别矿井。 传感器节点的模型如图所示 图无线传感器节点结构图 关键技术 节点的能耗问题 无线传感器节点般采用电池供电，因此可以使用的电量是很有 限的，尤其是面对煤矿安全这种实时性强且要长期监控的需求，这就 需要无线传感器节点的稳定感应传输时间要长达数月甚至数年。而网 络节点的功耗的主要方面就是通讯消耗。因此，我们计划采用新型的 无线通讯技术技术，相比较，蓝牙只能工作数周只可 工作数小时，技术使用节号干电池可支持个节点工作 个月，甚至更长。这是的突出优势。 无线通信协议 物理层研究在实际环境频繁变化和节点密集时，低功耗通信的 复杂行为特征。层避免冲突的信道分配和调度机制，节省能耗 的分布式协议研究路由层高效鲁棒的拓扑形成和控制协议， 自适应网络覆盖算法，低功耗实时自组织的信息传输路径的建立 机制，面向数据的传感网通信模式。根据上述各项要求，在综合了各 可 探 知 数 据 区 域 传 感 器 单 元 数模 转换 电源模块 控 制 器 单 元 无 线 收 发 单 元 个无线网络协议的基础上，计划采用由发布的 标准，经项目小组完善而成的协议族完成数据的传输。 数据聚合技术 节点冗余造成数据冗余。传感器节点在收集和转发数据的过程 中，可以根据数据的特点和查询要求进行数据聚合，去除冗余信息， 融合相关数据，挖掘高层知识。 自定位技术 传感器节点所采集的数据必须和位置相关对用户才有意义。传感 器节点对监测到的事件也应该指出它所发生的位置。这将对于煤矿产 量的位置监测起到很好得效果。 网络的可扩展性 无线传感器节点在网络组建过程中通过自组织的方式进行网络 的自动生成，是完全自治的。在网络形成之后，如果在其中加入新的 节点或者因为节点故障，电池能量耗尽等，这就要求传感器网络进行 重新生成。因此节点的可扩展性体现了这个网络的健壮性。与以太网 相比较，无线网因其自身的低成本特点，故障率是大于以太网的再 加上以太网在系统崩溃之后还可以通过重启来恢复，而无线网络只能 通过自身的网络对系统进行修复了。针对此特点，我们计划采用定期 查询策略，更新网络系统路由表，另外增加系统冗余来实现。 网络的快速收敛性 鉴于无线网络较之以太网故障率大的特点，在设置节点网络协议 时，如何在个节点失效之后，迅速进行调整，做出反应，使得网络 传输不中断，这就必须对其进行快速收敛功能的强调。 覆盖控制技术 对于无线传感器网络中存在的冗余节点，如何利用节点的冗余特 性进行休眠调度，延长网络生存时间，是个重要研究内容。覆盖控 制技术通过节点调度等手段，在不影响网络覆盖性和连通性的前提 下，控制网络中活跃节点的数量，使冗余节点交替工作，从而达到延 长网络生存时间的目的。 网络安全技术 无线传感器网络需要实现些基本的安全机制如机密性消息 认证消息完整性鉴别认证广播和安全管理等。虽然在安全研究方 面，无线传感器网络并没有引入太多新的内容，但是无线传感器网络 的特点决定了它的安全与传统网络的安全在研究方法和实现手段上 存在明显的区别。 创新点 研制可综合使用的固定安装传感器和人员携带移动传感器，使 得侦测范围更广，数据更全面 原有煤矿安全检测技术没有自定位功能，而人员定位系统也 没有加上瓦斯监控单元，使得监控与定位两张皮，在此使用自定位技 术加强对位置信息的跟踪 节点按功能分别研制，包括协调器路由器端设备和 端设备种 在使用了无线传感器网络之后，由其自组织的特性使得系统 安全性更强，更加稳定 利用了新技术之后，使原来蓝牙，等能耗过大 的问题得到了解决 目前，使用技术对煤矿的瓦斯监控尚处于研究阶段， 本公司申请产品的研制与开发。 项目的技术来源 无线瓦斯传感器的研制属企业自主开发项目，开发 完成后具有自主知识产权。 本项目国内外发展现状存在的主要问题及近期发展趋势。 从世纪开始，以无线方式传输的片上集成传感器技术便引起 了学术界军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关 于无限传感器网络的研究计划。特别是美国通过国家自然基金委国 防部等多种渠道投入巨资支持传感器网络技术的却无法获取该数 据，无法达到完全控制安全隐患的程度。 随着国家对煤矿生产管理工作的日益重视，企业和国家对煤矿产 量监管投入的加大，国家十五期间对煤炭工业的机构调整，以 及煤炭生产企业自身现代化管理的需求，为煤矿安全监控产品的研制 提供了个很好的发展机遇。煤矿安全监控平台的搭建将为煤矿企 业各级政府监管部门提供统完整的监管平台，为及时发现煤矿 生产安全隐患提高生产效率减少安全事故发挥重要的作用。同时 国家生产安全监督管理局已经建立了煤矿产量数据采集连网系统 等标准，为煤矿安全监控产品的研制打下了较好的技术基础。综上所 述，研制以人为本采集各种安全生产实时数据以危险因素分析 事故预防抢险救灾为主要目标的数字化智能化煤矿安全监控产品 是形势所需，市场所求。 项目的成熟性和可靠性论述 目前项目已经过初期调研和可行性分析，致认定该项目切实可 行，且具有非常好的市场推广前景，因此在前阶段调研的基础上， 下步将进行传感器硬件设计，网络协议设计开发以及片上应用程序 开发等关键技术的攻关。 拥有丰富的人才资源，参与该项目的研发人员全部为大学本科 以上学历，具有很强的研发能力，为本项目的开发提供了高可靠性。 四项目主要研究方案和工艺路线 主要研究方案 无线传感器节点的硬件设计思路为，采集煤矿瓦斯，温湿度等安 全信息的传感器元件处理器单元使用单片机，配合使用 操作系统无线收发单元采用芯片。 该项目包括无线传感器节点的硬件设计，无线传感器节点的网络 协议栈的设计以及传感器系统软件控制软件的设计。 其中，无线传感器节点是由瓦斯监测传感器控制器单元，无线 收发单元，存储器单元以及供电单元组成。 无线传感器节点的网络协议栈则是根据在发布的 的基础上经项目小组完善而成的协议族完成数据的 传输。 控制器处理程序用程序完成后留在控制器存储器中，个功能 是对传感传送的电子信号进行处理，得到煤炭瓦斯监测数据并贮存在 寄存器中，另个功能是设置传感器的参数，如传感器编号，用于识 别矿井。 主要工艺路线 硬件设计 无线节点部件的设计，按功能强弱分类有种，分别为协调器节 点路由器节点端设备和端设备。节点功能越强，相应 的功耗也就越大。网络中采用不同功能的节点，合理分配，方面， 有利于兼顾网络对低功耗和高性能的要求另外，也为节点设计固定 安装与人员携带移动方式相结合提供便利。 协调器节点主要负责网络的建立维护和监测数据的汇聚，并作 为接入点与有线骨干网相连，在无线传感器网络中只有个，功耗最 大路由器负责网络扩展和数据路由，功耗次之种端设备负责数据 的采集和发送，功耗最小。相比于端设备，端设备还具有简单 的路由功能，增加了数据传输的灵活性，功耗相对较大。 该网络中除端设备外，节点间若能彼此收到对方的无线信号， 就可以进行直接通信，不需其他节点的转发，这种终端设备最适合于 人员携带移动方式进行。数据在多个方向上以多跳的方式灵活传输， 当节点位置变化或个别节点失效时，对信息传递影响很小，提高了信 息传输的可靠性。新设备通过与网络中的协调器或路由器连接的方式 加入网络，此时该设备成为相应协调器或路由器的子节点，而相应协 调器或路由器成为其父节点，父节点和相应的子节点间可直接通信。 因此，端设备只能成为子节点，协调器只能成为父节点网络中只有 个协调器，而路由器则可能是父节点或子节点，也可能二者兼是， 由具体的路由机制确定。 因此，在矿井中提前布置端设备，使用协调器路由器搭建 网络，形成固定安装部分。就已经可以实现采集存储转发煤矿安 全相关数据。而当矿井继续深入，还有在坑道弯较多且地形复杂的情 况下，使用人员携带方式，可以方便，灵活，全面地采集数据。 对所设计的无线传感器网络就是要合理利用协调器路由器 端设备和端设备种节点，构建个可靠性高连通性好和能 耗小的网络。 在瓦斯传感器的选用上，采用低功耗热效式瓦斯传感器。 以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检测的 种半导体型气体传感器。它的基本特征是极高灵敏度和极快的响应 速度且低功耗。型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度 的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。该传感器 体积小，耗电低，应用电路简单，报警浓度为甲烷，响应时间 ，恢复时间，工作温度范围，湿度， 静态功耗为，报警状态功耗为，供电电压为。 传感器敏感组件的电阻的变化表现为负