關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在尾礦安全監(jiān)控中的應(yīng)用研究
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【摘要】：針對尾礦庫的安全監(jiān)控特點(diǎn)，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在尾礦庫安全監(jiān)控中的應(yīng)用。并介紹了傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和無線網(wǎng)絡(luò)的建立。
論文關(guān)鍵詞：尾礦庫安全監(jiān)控,無線傳感器網(wǎng)絡(luò),Zigbee技術(shù)
1.尾礦壩監(jiān)測系統(tǒng)的組成
尾礦壩的安全監(jiān)測是了解尾礦庫是否安全運(yùn)行的重要措施，而尾礦壩的安全因素有礦壩的浸潤線，庫內(nèi)水位，壩體的水位移動(dòng)和豎直位移�？梢岳脽o線傳感器網(wǎng)絡(luò)對浸潤線，庫內(nèi)水位，壩體的水位移動(dòng)和豎直位移進(jìn)行檢測。在壩體內(nèi)鉆孔放置PVC管，管內(nèi)再放入滲壓計(jì)，可采集壩內(nèi)的水位數(shù)據(jù)。庫內(nèi)埋入水位儀，用于檢測壩內(nèi)的水位情況。固定測斜儀，
測斜傳感器可通過自身斜度的變化得到位移變形量。通過振弦式位移傳感器測量壩體的豎直位移。利用多種傳感器對這幾類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在通過路由器實(shí)現(xiàn)信息由終端傳感器到協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)調(diào)器通過串口和上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對大壩各項(xiàng)安全指標(biāo)的監(jiān)控。
2.無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對周圍信息的采集和處理，并發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)給相鄰節(jié)點(diǎn)或?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站或更靠近基站的節(jié)點(diǎn)。它一般由傳感器模塊(傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器)、處理器模塊(微處理器、存儲(chǔ)器)、無線通信模塊(無線收發(fā)器)和能量供應(yīng)模塊(電池)組成，如圖1所示。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器可能正在執(zhí)行不同的功能，當(dāng)傳感器作為節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要是采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(溫度、光度和濕度等)，然后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，交由處理器處理，最后由通信模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點(diǎn)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。還可以連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)(如Internet)，將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送給用戶。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到大壩的安全信息后，如應(yīng)變量，水位，雨量等，再把信息通過I/O模塊輸入到CC2420，并在CC2420內(nèi)部實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。CC2420是Chipcon公司開發(fā)的首款符合Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻芯片，集成了所有Zigbee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可快速應(yīng)用到Zigbee產(chǎn)品中。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4定義的可靠的PHY(物理層)和MAC(媒體訪問控制層)之上的標(biāo)準(zhǔn)，它定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層。Zigbee的協(xié)議架構(gòu)如圖2所示。Zigbee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)。完整的Zigbee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層組成。其物理層和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由Zigbee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)根據(jù)用戶自己的需要，對其進(jìn)行開發(fā)利用。
3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立和數(shù)據(jù)的接收
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)用人工進(jìn)行布置，以一定的間隔距離分布在尾礦庫的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)。這些節(jié)點(diǎn)再通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，并以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，從而實(shí)現(xiàn)對任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回中心控制節(jié)點(diǎn)，最后將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心來進(jìn)行集中處理。在傳感器加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，傳感器和路由器要發(fā)出一個(gè)請求，協(xié)調(diào)器在收到信號后向傳感器和路由器發(fā)出一個(gè)十六位的地址，收到傳感器和路由器得到地址的信號后，網(wǎng)絡(luò)立即組成。
為了降低網(wǎng)絡(luò)工作的能耗并且保證網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，在接收數(shù)據(jù)時(shí)采用周期采集和睡眠兩種工作模式。設(shè)定好采樣周期的時(shí)間和采樣的次數(shù)，傳感器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。在兩次數(shù)據(jù)采集的間隔時(shí)間里，傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)把采集來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CC2420的RAM中，等待協(xié)調(diào)器提取。流程圖如圖4
圖4 工作流程圖
5.結(jié)束語
將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到尾礦庫大壩的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)組建，傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳遞。由于Zigbee技術(shù)成本很低，低復(fù)雜度，低功耗和自組網(wǎng)的特點(diǎn)，使得這個(gè)技術(shù)可以在尾礦庫大壩中廣泛應(yīng)用。
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