无线传感器网络在尾矿库安全监测仪器系统的应用（自动化）
李哲昀1，李青2，王燕杰2
（1．杭州职业技术学院友嘉机电学院，浙江杭州310018；2．中国计量学院机电工程学院，浙江杭州310018）
摘要：尾矿库是开采金属矿以及其他非金属矿物的矿山企业排放尾矿的场所，一般由尾矿堆存系统、排洪系统和回水系统这几部分构成。尾矿库是一个人造泥石流隐患的危险源，如果发生溃坝，将造成巨大的灾害和损失。对同一尾矿库的多个监测点建立一个综合监测网，实现了尾矿库监测项目中无线传感网络的实时监测，实现信号完整、可靠地传输，使远处的管理人员可以通过远程监测了解尾矿库状况。多种测量单元在现场构成有20多个点实时监测的无线传感器网络，20多个点的监测数据由一个集汇器通过GSM/GPRS实现远程数据发送。详尽介绍了基于ZigBee技术的传感器节点和汇聚节点的设计、软件设计等。
关键词：尾矿库；无线传感器网络；ZigBee
中图分类号：TP393.1 文章编号：1006 - 2394( 2016) 06 - 0009 - 04
0 引言
尾矿库安全的监测需要对现场的尾矿库本体的实际状态和环境状态进行测量获取，并远传到远离现场的管理机构。
对于现场的测量信息的获取，ZigBee是一种近距离、低功耗的无线通信技术，且有较强的自愈能力，其中一个节点的失效不会对整体效果造成致命影响，非常适合用来实现无线传感器网络。因此当网络用于实时监测和控制时，非常适合采用ZigBee技术做无线传输。
本文就无线传感器网络在尾矿库安全系统中的应用展开研究，以达到实时传输和监测的目的。主要包含两大内容：①基于ZigBee技术的无线传感器网络；②将基于ZigBee技术的无线传感器网络与测量传感装置结合形成尾矿库综合监测仪器系统。
1 ZigBee技术和无线传感网络的设计
IEEE802. 15.4是ZigBee技术的基础，基于ZigBee技术的无线传感器网络被应用在医疗、交通、农业等众多领域。
ZigBee标准采取层次结构，上层由下层提供服务：数据传输服务由数据实体提供，所有其他服务由管理实体提供。上层的接口由所有的服务实体通过服务接入点( SAP)来提供，每个服务接人点都可以支持一定量服务原语的实现。在OSI七层模型基础上，ZigBee标准根据应用和市场的实际需要定义了分层架构。其中底层协议由IEEE802. 15. 4-2003标准定义：即物理层( PHY)，媒体访问控制层(MAC)，在此基础上，Zig-Bee联盟定义了网络层(NYK)和应用架构层( APL) ，如图1所示。
网络终端设备的ZigBee网络依据应用需要，可以形成三种拓扑结构，分别是星型网络、簇状网络和网状网络，图2显示了三种网络拓扑。在本文中使用的是星型网络拓扑结构，因为一般一个尾矿库会有20个左右的节点布置，并且每个节点相距都不太远，选择星型网络拓扑结构就可以实现无线传感通信了。
2 无线传感器网络应用系统硬件设计
尾矿库综合监测仪器系统，可满足对尾矿库坝体 地表和地下深部位移、浸润线、库区降水量、尾矿砂含水率等多种主要物理量进行实时、自动监测，并可实现对监测数据的现场无线传输、远程传输和综合管理。本文研究的是监测系统中无线传感器网络的实现和应用，组成如图3所示。
图3中的无线数字传感测量单元（传感器节点）即是各尾矿库垮塌灾害的诱发因素（降雨、地下水位高低、尾矿砂含水）和灾前相关物理量（地表位移、地下位移）的测量单元，各测量单元基本含有传感器、信号处理电路、单片微机、信号发射和接收等部分。其中的信号发射和接收部分就是基于ZigBee的无线传感器网络电路。
各测量单元在尾矿库现场以无线传感网络实现信号的传输，各测量单元测到的数据通过无线传感网络集中到图3中的信息无线收集和汇总装置（汇聚节点），信息无线收集和汇总装置可以通过GSM或GPRS方式、通信卫星、有线电话网三种远程通信方式中的一种实现信号的远程传输。本文选择了GSM/GPRS的远程通信方式。
在远方的上位机（服务器）通过GSM或GPRS、通信卫星、有线电话网三种远程通信方式中的一种接收远方的测量信号，并且在上位机中有测量数据显示、曲线显示、预警设定、数据库导出、数据和曲线打印等功能；同时建立网址，可实现在有Internet网的地方都可接收、查看尾矿库垮塌灾害隐患点的测量数据。
2.1无线传感网芯片
监测现场无线通信需经过微处理器与射频收发模块收发数据。因此，控制器的选择，必须同时考虑到上述两个条件，以满足系统的要求。在无线通信时，无线监控网络的核心是微控制器，它负责来自每个节点的信息处理。微控制器的选择需考虑以下几点：第一外观尺寸应该是合理的，务必要小；第二集成度要高，有利于简化整个无线监控网络的外围电路，提高传感器的集成度；第三功耗低、运行快，处理完数据能够立即进入休眠状态，有效节约系统能源；第四成本低，这是必要前提。
本系统的现场无线传感监测网络选用德州仪器公司的CC2430为核心，它作为片上系统整合了内存、微控制器和射频前端。在CC2430芯片内部包含了微控制器、安全处理器、数字模拟转换器、定时器、晶振器、看门狗定时、上电复位以及掉电保护电路。芯片CC2430共有48个引脚，所有引脚分为I/O端口线、控制线引脚、电源线引脚三大类。
2.2各节点硬件设计
微处理器模块、无线通信模块、信息处理电路和传感器模块构成了传感器节点的硬件部分，如图4所示。
微处理器模块用于控制节点的路由协议、数据处理、任务管理和功耗管理等。无线通信模块用于节点之间交换信息、无线通信、数据收发。信息处理电路用于尾矿库安全监测信息的收集，它把各种传感器（如雨量、温湿度、位移等）获得的信号转换成数字信号，并发送至微处理器模块。无线传感网的汇聚节点将各个传感器节点获得的监测数据汇集，然后通过GSM/GPRS实现远程信息传输，汇聚节点硬件原理框图如图5所示。
在尾矿库监测仪器系统中针对地表位移、地下水位、降雨量、温度等监测量，监测节点的硬件构成如图4所示。但对地下位移、土壤含水量，因测量复杂，采用先由专门的测量仪器单元完成测量，再经485通信传给CC2430模块的方式形成传感器节点，地下位移测量传感器节点如图6所示。土壤含水量测量的传感器节点与此类似。
3节点程序设计和人机界面软件开发
软件的设计与开发，使用IAR系统IAREm beddedWorkbench( EW)，用C语言编程实现。IAR EW支持用户在同一软件界面开发多种微处理器。IAR EmbeddedWorkbench中含有C/C++汇编器、编译器、项目管理器、库管理员、连接定位器以及调试器。由IAR EW产生的代码很简单，即使处理器的处理能力较小也可以使用，因此在处理器方面的成本也可以降低。
3.1 汇聚节点软件设计
汇聚节点在系统中起着非常重要的角色，首先它负责建立和管理网络，接收和处理来自路由节点和传感节点的相关环境参数数据，而且还要负责与上位机进行通信。在与上位机通信中包括向上位机传输有关数据、接收来自上位机的数据并通过无线传输转发给下面的路由节点或传感节点。汇聚节点建立网络的主要步骤如下：初始化成功后，检测电源和扫描信道状态，发起建立一个新的网络，配置网络相关参数（包括设置信道、PANID、网络深度），允许传感节点和路由加入和离开网络，为每个加入的节点分配地址，同时建立一个地址列表，接收上位机指令并下发给各个节点控制相关传感器节点采集环境参数，接收下面节点数据后通过串口通信发送给上位机，由上位机最终显示数据、存储数据。汇聚节点软件设计流程图如图7所示。
3.2传感器节点软件设计
传感器节点在系统中主要负责对监测区域的环境参数采集和中转子节点的数据。传感器节点软件设计的主要步骤为：在上电之后，系统初始化，监听汇聚节点建立网络的信号，扫描网络信道，向汇聚节点申请加入网络，在得到确认后，加入网络；当汇聚节点发布环境数据采集命令时，传感节点成功接收命令，采集相应的环境参数数据，并向汇聚节点发送数据，在得到汇聚节点的接收数据响应之后，则开始发送。发送成功后，传感节点由工作状态转换为休眠状态，通过定时器定时，在一段时间后，进入新的一个循环。传感器节点软件设计流程图如图8所示。
3.3上位机软件设计
为了在远方能便于管理和监测尾矿库参数，通过GSM/GPRS将现场无线传感器网络测得的尾矿库环境参数和安全表征参数，发给远离现场的PC机（上位机）。上位机的显示界面使用C++语言编程，数据通信基于TCP/IP协议。软件设计主要包括上位机与汇聚节点的通信、通过汇聚节点向网络发布组网和数据采集命令等，具体软件设计流程图如图9所示。上位机通过人机对话界面可以操控在现场的无线传感器监测系统，可设定监测数据及时发送和定时发送，能够监控、判断现场设备处于以下何种状态：正常运行、发生故障，能对采集的数据进行保存、打印和显示曲线等，能根据设定的阈值进行预警和报警。
4 网络拓扑与实验
本文设计的无线传感器网络是鲁棒性拓扑结构，即每个传感器节点都有互不相干的两条以上路径到达汇聚节点，这样保证任意一个节点到达汇聚节点的一条路径失效时，数据可以通过备用路径到达汇聚节点，从而提高了数据传输的鲁棒性，保障数据传输的准确性；传感网络的传感节点以周期性方式向汇聚节点传输数据。对于网络拓扑进行了边缘优选法和中间优选法实验，实验结果从表1可以看到，中间优选法形成的网络拓扑的首选路径平均跳数和备选路径平均跳数比边缘优选法都少，说明中央位置的策略相比边缘法在传输树上的路径质量更好，然而搜索的时间相对更长。
5结束语
本文实现的基于ZigBee技术的无线传感器网络的尾矿库安全监测系统已在浙江、北京等地的尾矿库应用，实现了全自动、全天候、实时尾矿库安全运行监测，对矿山安全生产起到了良好的保障作用。
