煤礦安全外文翻譯文獻煤礦安全外文翻譯文獻(文檔含英文原文和中文翻譯)基于WSN的煤礦安全監控系統的研究摘要

在本文中，我們使用無線傳感器網絡監控煤礦的經驗進行了闡述。在一個節點上的多傳感器可以捕獲各種各樣的環境數據，包括礦山的振動，礦井溫度，濕度和氣體濃度，和環境參數、控制風扇運轉。網絡由許多無線傳感器節點組成。煤礦安全監控方案發展從可以保存匯聚節點接收到的數據，并實時顯示和分析各種的信息來供決策。1背景與介紹煤炭安全生產關系到國民經濟的發展，如今，中國的煤礦安全信息系統是基于有線網絡，隨著煤炭開采的加速，有線網絡在擴展，靈活性，覆蓋率等方面具有嚴重不足。為了解決這些問題，無線網絡是最好的選擇。ZigBee是一種先進的數據通信技術，具有低速率，低功耗，協議簡單，成本低，良好的擴展性，容易形成無線網絡等特點。相比現有煤礦監測設備，節點構成的無線傳感器網絡的更小，更輕，更易于大規模部署。由于數據采集和傳輸方式是通過無線電臺，節點掛鉤傳感器，可以打破電線電纜的約束，并可以使部署更加方便，靈活。此外，大規模的和靈活的部署節點對于礦工來說使得更好的本地化工作。因此，它具有重要的現實意義，將這一新技術和新方法，應用在煤礦安全信息系統的設計中。2系統的結構本文設計了一個煤礦安全監控系統，它是基于ZigBee2007無線通信協議，采用TI公司生產的CC2530芯片做無線數據傳輸。煤礦安全監控系統由三部分組成：控制中心，協調和終端節點。終端節點有兩種類型：全功能設備（FFD），部分功能的移動設備（RFD）。監督控制中心軟件是以TI的Z-位置引擎，它顯示了各監測點的位置和狀態信息，它是一個在整個潛在風險區域的地理信息的圖形化描述。協調也是一個網關，它獲得FFD和RFD的所有信息，然后發送到控制中心的節點上然后通過監控軟件來更新狀態消息。此外，他還要廣播控制中心的指示。FFD是路由器，它SA節點組鏈接在一起，并提供多希望消息，它與其他路由器和終端設備相關聯，而RFD僅僅是一個終端設備。我們知道，整個監控系統可以分離的兩個子系統，煤礦井下環境調查和數據收集子系統和礦山集中智能信息管理子系統。本文將主要介紹煤礦井下環境調查和數據采集子系統。考慮礦山井下的環境的實際情況，RFD主要負責用于收集礦工的生理功能，然后通過無線通訊方式將其發送到FDD，FDD由具有路由功能，可以收集環境參數的節點，然后將數據上傳到管理中心。礦山井下系統主要通過無線網絡設備的鏈接，可靠的通信應用來保證它的正常工作。地面礦山系統包括各類綜合服務體系，服務平臺體系，監測分析系統和緊急行動中心等等，這些通過TCP/IP網絡連接設備連接。3系統設計3.1硬件設計。在系統中的每個終端節點組成的CC2530，振動傳感器，氣體傳感器，溫度和濕度傳感器，射頻模塊，電源模塊，無線收發信機的天線和復位電路模塊。基于CC2530的傳感器節點的硬件結構示于圖1。這個節點是僅作為終端節點，預留外接電源接口和UART端口外部LPC1756板是為了滿足不同的應用需求;ZigBee協議;移植后的TinyOS操作系統做準備。圖1基于CC2530的傳感器節點硬件結構圖無線電射頻模塊之間的數據傳輸是基于IEEE802.15.4。為了降低系統的成本，縮短產品開發周期和降低的難度，功耗，提高發射功率，考慮接收靈敏度，芯片的成本，協議堆棧的成本因素以及芯片和外圍元件的數量需等，這些選擇一個芯片要主要考慮的因素。最后，TI的免費協議棧的ZigBee芯片CC2530的ZigBee-2007被挑選出來。行業標準的增強型8051MCU與RF收發器，其發射功率為1mW，接收靈敏度為-94dBm，當符號錯誤率是1％，電流損耗小于0.6μA當系統處于待機模式，當RF為2.4GHz，其數據傳輸速率是240KB/s的所有參數滿足系統設計的需求。3.6V的鋰電池，電壓轉換電路是由電源管理模塊，它有兩個輸出通道提供不同的電壓和電流供給無線射頻模塊和傳感器檢測模塊。作為一個網關，需要協調與控制中心的溝通，這是與終端節點所不同的，所以我們需要在硬件設計上添加另一個通信端口，此端口可以廣泛使用，因為這個系統并不是專為一些計算機、單片機或PLC設計的。因此，RS-232和USB接口都適用于這個它。匯聚節點的硬件結構如圖2所示。圖2匯聚節點硬件結構此模塊是匯聚節點的主板的一部分，特殊應用程序也可以使用它作為一個普通節點;UART接口的RF模塊的一部分，則可以保留通過電源接口，此模塊的CC2530射頻模塊作為一個群集節點模塊時，上述結構未配備傳感器;主板上的設計的網絡接口連接到以太網，GSM模塊主要使用GPRS或3G數據通信功能，通過終端傳感器網絡和公共網絡（3G），進行遠程控制或遠程擴展監測。3.2軟件設計ZigBee無線傳感器網絡的有三種類型的節點：協調器，路由器（或FFD）和終端設備（或RFD）是在圖3中所示的無線傳感器網絡節點的工作狀態圖。這種設計采用了由TI公司，這是免費的和半開放源碼的ZigBee協議棧Z-stack2007提供。Z-stack2007是由MAC層，物理層和應用層，網絡層之間的通信的設備和活動，消息路由網絡發現的網絡設備在初始化的Z-stack2007是負責的。ZigBee標準定義了三種類型的設備，每個設備都有自己的功能要求，ZigBee協調器啟動和配置網絡。同時，它是負責正常工作并保持在與其它網絡設備通信。一個ZigBee網絡只允許一個ZigBee協調。

ZigBee路由器負責重發的消息發送到其他設備。電網的ZigBee和樹型網絡可以有多個ZigBee路由器。

ZigBee終端節點通過ZigBee網絡可以執行它自己的相關的功能和與其它網絡設備進行通信。圖3WSN節點的工作狀態圖圖4無線傳感器網絡節點軟件的的工作流程圖由于ZigBee的WSN網關，協調器會自動啟動網絡的形成。在那之后，它會等待，直到所有的節點附近完成加盟網。然后，協調器會發送指令收集信息，如連接狀態，傳感器數據和位置數據，然后發送到控制中心，最后監控軟件更新各種狀態值。所有這些過程都在一個定時執行周期內完成的。WSN中節點的軟件工作流程圖如圖四所示。4結論一種新的煤礦安全監控系統的開發，它包括智能，低成本，低功耗和低維護敏感的傳感器和ZigBee無線傳感器網絡。該系統可以監視該氣體的濃度，溫度和濕度和敏感振動，對潛在的危險進行早期警告;減少生命和財產損失。基于無線傳感器網絡，這個系統是容易被部署，同時它克服了現有系統的缺點。

因此，可以說它彌補現有系統的弱點。整個系統以無線傳感器網絡技術為核心，增強了系統的靈活性，可維護性和可擴展性，同時系統的調制和開放式結構，使系統能有一個良好的可能性。我們評估這個設計，并獲得了一些有益的經驗，將有利于我們的后續工作。ResearchonMineSafetyMonitoringSystemBasedOnWSNAbstractInthispaperourexperiencesusingawirelesssensornetworktomonitorthecoalminesaredescribed.Themulti-sensorinonenodecancaptureavarietyofenvironmentaldata,includingthevibrationofthemine,theminetemperature,humidityandgasconcentration,andenvironmentalparameterscontroloperationofthefan.Networkconsistsofmanywirelesssensornodes.Minesafetymonitoringprogramhasbeendevelopedtosavethereceiveddatafromsinknodesandshowitonrealtimeandanalyzeallkindsofinformationfordecisionfunction.?2011PublishedbyElsevierLtd.Selectionand/orpeer-reviewunderresponsibilityofChinaAcademyofSafetyScienceandTechnology,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),McGillUniversityandUniversityofWollongong.Keywords:CC2530;ZigBee;wirelesssensornetwork;Mine-monitoringsystem;sensornode1.BACKGROUNDANDINTRODUCTIONCoalproductionsafetyisrelatedtothedevelopmentofthenationaleconomy,nowadays,thecoalminesafetyinformationsystemofChinaisbasedoncablenetwork,withtheaccelerationofcoalmining,thewirednetworkhastheseriousinsufficiencyinaspectsandsoonextension,flexibility,coveragefractionall.Inordertosolvethesequestions,thewirelessnetworkisthebestchoice.ZigBeeisanup-to-datacommunicationtechnology,withthelowgearrate,lowpowerloss,simpleagreement,lowcost,goodextension,easyformingwirelessnetworks.Incontrastwithexistingcoalminemonitoringequipment,thenodesthatconstitutethewirelesssensornetworkaresmaller,lighterandeasierforlarge-scaledeployment.Asdataacquisitionandtransmissionapproachisthroughwirelessradios,thenodeslinkedsensorscanbreaktheconstraintofwireandcableandmakethedeploymentmoreconvenientandflexible.Moreover,thelarge-scaleandflexibledeploymentofnodesmakesforbetterlocalizationofminers.Therefore,ithasmomentouspracticalsignificancetoapplythisnewtechnologyandnewmethodinthedesignofcoalmineSafetyInformationSystem[1].2.STRUCTUREOFTHESYSTEMThispaperdesignedaminesafetymonitoringsystem,ItisbasedonZigBee2007wirelesscommunicationprotocol,adoptstheCC2530chipproducedbyTIcompanytodoingwirelessdatatransmission.Theminesafetymonitoringsystemconsistsofthreeparts:controlcenter,coordinatorandterminalnodes.Therearetwokindsofterminalnodes:full-functiondevice(FFD)andreduced-functiondevice(RFD).ThesupervisingsoftwareonthecontrolcenterisbasedonTI’sZ-LocationEngine,itshowsthelocationandthestatusmessagesofallthemonitoringsites[2],anditisagraphicaldescriptionofthegeographicalinformationoftheentirepotentialriskarea.Thecoordinatorisalsoagateway;itacquiresalltheinformationfromFFDandRFD,andthentransmitstothecontrolcentertoupdatethestatusmessagesofnodesonthesupervisingsoftware.Besides,itbroadcastsinstructionsfromcontrolcenter.FFDisarouter,itsanodethatlinksgroupstogetherandprovidesmulti-hopingformessages[2].Itassociateswithotherroutersandend-devices,whileaRFDisjustanenddevice.Aswecansee,thewholemonitoringsystemcanbeseparatedintwosubsystems,investigatingenvironmentandcollectingdatasubsystemdownthemineandcentralizedintellectualinformationmanagingsubsystemupthemine.Thisarticlewillmainlyintroduceenvironmentinvestigatinganddatacollectingsubsystemdownthemine[2].Consideringthepracticalsituationoftheenvironmentunderthemine,RFDaremainlyresponsibleforcollectingphysiologicalfeaturesoftheminers,andthensendthemtoFDDviawirelesscommunicationway.FDDconsistsofnodespossessingroutingfunctionswhichcancollectenvironmentalparametersintime,andthenuploadthedatatoadministrationcenter.Thedownminesystemsmainlylinkbywirelessnetworkequipmentstoapplyreliablecommunication.Theupperminesystemincludesvariouskindsofintegratedservicesystem,serviceplatformsystem,monitoringanalyticalsystemandemergencyoperationscenter,etc.TheseequipmentsconnectthroughTCP/IPinternetconnection.[2][3].3.SYSTEMDESIGN3.1.HardwaredesignEachterminalnodeinthesystemiscomposedofCC2530,vibrationsensor,gassensor,temperatureandhumiditysensor,radiofrequencymodule,powersupplymodule,wirelesstransceiverantennaandresetcircuitmodule.TheCC2530-basedsensornodehardwarestructureisshowninFig.2.Thisnodeisonlyasterminalnodes;ReservedexternalpowersupplyinterfaceandUARTportisintendedtoexternalLPC1756boardtomeetdifferentapplicationneeds;TheZigBeeagreement;post-transplantTinyOStopreparetheoperatingsystem。Fig.1CC2530-basedsensornodehardwarestructureThedatatransmissionbetweenradioRFmodulesisbasedonIEEE802.15.4.Inordertoreducethecostofsystem,shortenproductdevelopmentcycleandlowerthedifficulty,thefactorsincludingpowerconsumption,transmittingpower,receivingsensitivity,chipcosts,protocolstackcostsandthenumberofperipheralcomponentsthechipneedaremainlyconsideredwhenchooseachip.Finally,TI’sZigBeechipCC2530withfreeprotocolstackZigBee-2007ispickedout.TheRFtransceiverwithanindustry-standardenhanced8051MCU,itstransmittingpoweris1mw,receivingsensitivityis-94dBmwhenthesymbolerrorratiois1%,currentlossislessthan0.6μAwhenthesystemisinstandbymode,anditsdatarateis240Kb/swhentheRFis2.4GHz.Alltheparametersmeetthedemandofsystemdesign.Thepowermanagementmoduleiscomposedof3.6Vlithiumcellandvoltageconversioncircuit,ithastwooutputchannelsprovidesdifferentvoltageandcurrentsupplyfortheradioRFmoduleandthesensordetectingmoduleseparately[3].Asagateway,thecoordinatorhastocommunicatewiththecontrolcenter,whichisdifferentfromtheterminalnodes.Soweneedanothercommunicationportinhardwaredesign.Thisportshouldbewidelyusedbecausethissystemisnotspeciallydesignedforsomecomputer,SCMorPLC[3].Therefore,RS-232andUSBisqualifiedforthis.TheAggregationnodehardwarestructureisinshowninFig.2.Fig.2aggregationnodehardwarestructureThismoduleispartofthemotherboardastheaggregationnode,specialapplicationscanalsouseitasanordinarynode;RFmodulepartoftheUARTinterfacecanbereservedthroughthepowersupplyinterface,themodulewhentheCC2530RFmoduleasaClusternodemodule,theaboveisnotequippedwithsensors;OnthemotherboardhastheGSMmodulemainlytouseitsGPRSorthe3Gdatacommunicationfunction,withbytheterminalsensornetworkandthepublicnetwork(3G),designsthenetworkinterfacetoconnecttotheEthernet,carriesontheremotecontrolorthelong-distanceexpansionmonitoringbythis;3.2.SoftwaredesignZigBeeWSNhasthreekindsofnodes:thecoordinator,therouter(orFFD)andtheenddevice(orRFD).TheWSNnodeworkingstatediagramisinshowninFig.3.ThisdesignadoptsZ-stack2007offeredbyTIcompanywhichisfreeandhalfopen-sourceZigBeeprotocolstack.Z-stack2007ismadeupofMAClayer,physicallayerandapplicationlayer,ThenetworklayerofZ-stack2007isresponsibleforcommunicationamongthedevicesandactivities,messageroutingnetworkdiscoveryintheinitializationofnetworkdevices[3][4].ZigBeestandarddefinesthreetypesofequipment,eachhasitsownfunctionrequirement.ZigBeecoordinatorstartsandconfiguresthenetwork.Meanwhile,itisresponsibleforthenormalworkingandkeepingincommunicationwithothernetworkdevices.AZigBeenetworkonlyallowsoneZigBeecoordinator.ZigBeerouterisresponsibleforretransmittingthemessagestootherdevices.ZigBeegridandtreenetworkcanhavemultipleZigBeerouters.ZigBeeterminalnodescanexecuteitsownrelatedfunctionsandcommunicatewithothernetworkdevicesthroughZigBeenetwork[5].Fig.3WSNnodesworkingstatediagramAsthegatewayoftheZigBeeWSN,coordinatorautomaticallyinitiatestheformationofthenetwork.Afterthat,itwillwaitonuntilallthenodesnearbyfinishedjoininginthenet[6].Thenthecoordinatorwillsentinstructionsorcollectinformationsuchastheconnectionstatus,sensordataandlocationdata,andthensentthemtothecontrolcentertoupdatevalueinthesupervisingsoftware.Alltheseprocessesarecompletedinaspecifiednumberofregularlytimedexecutioncycles.ThesoftwareworkflowchartofWSNnodeisshowninFig.4.4.CONCLUSIONSAnewminesafetymonitoringsystemwasdeveloped;itcompromisessensitivesensorsandZigBeeWSNwhichissmart,low-cost,low-powerandlow-maintenance.Thissystemcanmonitorthegasconcentration,temperatureandhumidityandvibrationsensitively,carryontheearlywarningtothepotentialhazard;reducelossoflifeandproperty.BasedonWSN,thissystemiseasytobedeployedandovercomestheshortcomingsoncurrentsystems.Thereforeitcancompensatefortheweaknessesofcurrentsystems.Theoverallsystemtakethewirelesssensornetworkingtechnologyasacore,strengthenedthesystemflexibility,themaintainabilityandtheextendibility,meanwhilethesystemmodulationandtheopenstylestructureenab