２００８年第２７卷第ｌ２期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ７３ 基于无线传感器网络的井下水位监测监控系统设计 闫静杰 ，刘晓文 ，朱哓颖 ，阎波杰 （１．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州２２１００８； ２．北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京１００８７５） 摘要：为了满足矿井水位监测监控的需要，应用数字式水位传感器和ＰＩＣ单片机，开发了一种基于无线 传感器网络的智能化水位传感器系统，介绍了系统的硬件和软件设计，给出了测试结果。该系统集监测、 显示、报警、通信等多种功能于一体，并采用无线传感器网络，克服了有线传感器网络的局限性，避免了其 他无线通信技术高功耗的缺点。实验表明：该系统具有高精度、高可靠性、低功耗的特点，有效地实现了对 矿井水位的实时监测与监控。 关键词：无线传感器网络；水位监测监控系统；ＰＩＣ单片机；数字水位传感器 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－－９７８７（２００８）１２－００７３－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＹＡＮ Ｊｉｎｇ－ｊｉｅ ，ＬＩＵ Ｘｉａｏ—ｗｅｎ ，ＺＨＵ Ｘｉａｏ—ｙｉｎｇ ，ＹＡＮ Ｂｏ－ｊｉｅ。 （１．Ｓｃｈｌｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｉｎｇ ａｎｄ ｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ＧＩＳ， Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ，ＢｅＵｉｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｃｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｃｏａｌｍｉｎｅ，ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ），ｕｓｉｎｇ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＰＩＣ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｃｈ ａｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｄｉｓｐｌａｙ，ａｌａｒｍ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＷＳＮｓ’ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｉｔ ｓｕｒｍｏｕｎｔｓ ｄｅｆｅｃｔ ｏｆ ｗｉｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ａｖｏｉｄｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｓｔ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ—ｃｏｎｓｕｍｅ，ｉｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ）；ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｉｒｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ＰＩＣ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ； ｄｉｇｉｔａｌ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｓｅｎｓｏｒ ０引 言 并存在零点漂移、抗干扰能力差、需要经常调校的缺点。 此外，大多数煤矿监测监控系统采用有线和固定传感 器组成的网络，需要在矿井内敷设通信线路来传递监测信 息。但生产过程中矿井结构在不断变化，加之有些坑道空 间狭小，对通信线路的延伸和维护提出了很高的要求。一 矿井主排水系统是煤矿大型设备的一个重要组成部 分。在煤矿的开采过程中，会产生大量的水。为了保证煤 矿的安全和开采煤矿的正常进行，应将这些水通过一水仓 安全排放，因此，不仅应控制水仓水位在一定的范围之内， 还要设置一定的上下限，根据设置值适时启动或者切换排 旦通信链路发生故障，整个监测监控系统就可能瘫痪，严重 影响了系统的可靠性。 水泵的启动回路，从而使其排水。当水位不在限定的范围 内时，则启动报警。因此，对水仓的水位进行监测与监控是 非常必要的。目前，普遍采用的水位测量方法是通过模拟 针对上述问题，本文提出了一种基于无线传感器网络 的智能化水位传感器系统。该系统采用数字水位传感器进 行实时水位检测，避免了普通传感器需进行Ａ／Ｄ转换的复 水位传感器采集实时监测井下水位信号，转换成电信号后 放大，经Ａ／Ｄ转换成数字信号后送至微处理器处理…。这 种检测方法使用的传感器大多需要误差补偿，灵敏度不高， 收稿日期：２００８－－０７－－３０ 杂性，测量精度高。同时，使用无线传感器网络具有节点分 布密度高、精度高的特点 。因此，将无线传感器网络技 术、单片机控制技术和数字化水位传感器结合起来，就可以 ７４ 传感器与微系统 第２７卷 克服目前水位监测监控系统中存在的缺点，实现高可靠性 的数字化水位监测监控网络系统。 １系统硬件设计 本系统主要由传感器节点和汇聚节点两部分组成，传 感器节点负责传感器的数据采集和将采集到的数据发送给 汇聚节点，汇聚节点负责控制子节点的数据采集和发送，并 且，负责将各个子节点的采集数据发送给嵌入式计算机，以 供更高层的应用。 １．１微处理器模块 采用美国微芯公司主推的ＣＭＯＳ ８位ＰＩＣ１８Ｆ４５８单片 机作为节点的处理器。ＰＩＣ单片机 率先采用了精简指令 集（ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ＲＩＳＣ）结构，突破了传统 单片机对ＰＣ机在结构上存在的自然依赖性，加上哈佛总 线的存储器结构、两级流水线指令结构、单周期指令等技 术，从而在单片机硬件结构上独辟蹊径，大大提高了系统运 行的效率。 １．２传感器模块 传感器模块是系统构成的基础与关键，它直接和水位 采集与控制执行机构相连接，实现对水位的检测与控制。 本系统选用的是北京昆仑海岸公司生产的ＪＹＢ－Ｋ液位传 感器。 １．３无线通信模块 无线收发模块是一个射频集成电路模块（ＲＦＩＣ），作为 ＺｉｇＢｅｅ无线网络的物理层射频前端实现无线数据的收发。 本系统选用了ＣＣ２４２０射频芯片。ＣＣ２４２０是ＴＩ—Ｃｈｉｐｃｏｎ公 司推出的首款符合２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的射频收 发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ＺｉｇＢｅｅ 产品的ＲＦ器件。 １．４报警和显示模块 本系统采用了１２８×６４的ＯＣＭ４Ｘ８Ｃ液晶显示器进行 水位显示，利用２个端口分别驱动一个蜂鸣器和一个高亮 度的红色ＬＥＤ来进行水位越限声光报警。该模块的控制／ 驱动器采用矽创电子公司的ＳＴ７９２０，因而，具有较强 的控制显示功能。 １．５能量供应模块 本系统尽量采用低功耗器件，同时，提供高效节能的电 源管理模式，当无传感器数据采集和数据收发时命令微控 制器进入“睡眠”状态并切断无线通信单元的部分电源，从 而大大降低系统功耗。 ２系统软件设计 ２．１无线传感器网络通信协议 无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分 布网络和控制管理中心三部分组成的，其主要组成部分是 集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通 过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优 化后经无线电波传输给信息处理中心，因为节点的数量巨 大，而且，还处在随时变化的环境中，这就使它有着不同于 普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网 特性，在无线传感器网络中，所有节点的地位都是平等的， 没有预先指定的中心，各节点通过分布式算法来相互协调， 在无人值守的情况下，节点就能自动组织起一个测量网络。 而正因为没有中心，网络便不会因为单个节点的脱离而受 到损害；其次是网络拓扑的动态变化性。网络中的节点是 处于不断变化的环境中，它的状态也在相应地发生变化，加 之无线通信信道的不稳定性，网络拓扑因此也在不断地调 整变化。 本文在参考了ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准的规定 Ｊ，并根据 井下的具体情况，采用简单的星型拓扑结构，如图１。它的 最大特征就是设计相当的简单，网络节点之间的相关性降 到最低，从而可以降低能量消耗。此种拓扑结构可以将多 个子节点汇聚成到一个Ｓｉｎｋ节点中。再通过基站接入井 下环网将数据传到井上来。 。＼星 扑／． ・— 弋． ／ ～ 。 图１网络拓扑结构 Ｆｉｇ １ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ２．２ Ｓｉｎｋ节点程序设计 Ｓｉｎｋ节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点， 它的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，有足够的 能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功 能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。Ｓｉｎｋ节点软件流 程如图２，Ｓｉｎｋ节点按功能可分为２个部分，网络维护功能 和数据传输功能。网络维护方面主要是负责组建无线传感 图２ Ｓｉｎｋ节点软件流程图 Ｆｉｇ ２ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ Ｓｉｎｋ ｎｏｄｅ 第ｌ２期 闫静杰，等Ｉ基于无线传感器网络的井下水位监测监控系统设计 ７５ 器网络、分配网络地址和维护绑定表；数据传输方面主要是 充当无线传感器网络与互联网的网关，将２个使用不同协 议的网络连接在一起，实现２种协议栈之间的通信协议转 换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集的数据转发到 外部网络上。所有传感器节点将所采集到的传感器数据以 无线的方式发送到Ｓｉｎｋ节点上，Ｓｉｎｋ节点将这些数据转换 之后通过串口传给嵌入式计算机；另一方面，Ｓｉｎｋ节点接收 嵌入式计算机发送过来的数据，并将这些数据转换之后发 送给目标节点。 ２．３传感器节点程序设计 传感器节点主要负责采集传感器数据并将这些数据传 送给Ｓｉｎｋ节点，同时，接收来自Ｓｉｎｋ节点的数据并根据这 些数据进行相关操作。当没有数据发送接收时，转入休眠 模式，节点功耗降到最低。传感器节点软件流程如图３所 示 图３传感器节点软件流程 Ｆｉｇ ３ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ 主程序初始化相应的寄存器和变量与相应的管脚 后，进入主循环。主循环负责对外部的传感器信号转换 后的电压信号采样，处理、转换成相应的值，并送到对应 的缓冲区。然后，对值进行判断是否超警戒限，若是，则 启动相应的报警程序，而且，当值低于水位下限时，切断 继电器来停止排水泵工作，保护排水泵；否则，完成此次 循环。 该显示器显示的数据容量大，使用起来很方便。该部 分可分液晶初始化、读液晶显示状态子程序、对液晶发指令 子程序、对液晶写数据子程序和显示数据子程序。流程图 如图４所示。 ３测试结果 将按上述方案设计的水位监测监控系统到煤矿井下进 行现场实验，测试结果如表ｌ所示。从实际测量数据可以 看出：所设计的系统的测量误差较小，能够满足使用要求。 图４液晶显示流程图 Ｆｉｇ ４ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ＬＣＤ 测量值与标准值之间的误差主要是由于传感器本身存在误 差和井下环境的，但网络传输过程中几乎不会引入误 差，而且，系统运行稳定可靠。 表１ 水位值测试结果 Ｔａｂ １ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆｗａｒｅｒ ｌｅｖｅｌ 序号实际值（ｍ） 测量值（ｍ） ４结论 本文提出了一种以单片机为主，基于无线传感器网络 的集监测监控、显示、报警、通信等多功能于一体的智能水 位监测监控系统。它充分利用单片机的集成度高、功能强、 体积小、功耗低、性能可靠等特点，同时，利用无线传感器网 络对监测数据进行传输，该系统解决了煤炭开采过程中大 量积水的测量。 ’ 由于液晶显示可直观表征装置的首要功能，因此，对保 证煤矿的安全和开采煤矿的正常进行具有重要作用。该系 统简单、可靠、经济，具有广泛的应用前景。 参考文献： ［１］ 马福昌，郭建珠．地下水位动态监测新技术［Ｊ］．山西水利， ２００５，２１（１）：５９－６０． ［２］钱春丽，张兴敢．用于矿井环境监测的无线传感器网络［Ｊ］． 电子技术应用，２００６（９）：２１－２３． ［３］张宏伟．ＰＩＣ单片机应用系统开发典型实例［Ｍ］．北京：中国 电力出版社，２００５：４１—４５． ［４］ 纪金水．基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准技术的无线远程自动监测 传感器网络的设计与实现ＥＪ］．自动化与仪器仪表，２００７（２）： ２４－－２７． 作者简介： 闫静杰（１９８３一），男，浙江宁波人，硕士研究生，研究方向为无 线传感器网络。
