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无线传感器网络在尾矿安全监控中的应用

时间:2015-10-07  作者:朱珠

【摘要】:针对尾矿库的安全监控特点,充分利用无线传感器网络的优点,提出了无线传感器网络在尾矿库安全监控中的应用。并介绍了传感器节点的设计和无线网络的建立。
论文关键词:尾矿库安全监控,无线传感器网络,Zigbee技术

1.尾矿坝监测系统的组成

尾矿坝的安全监测是了解尾矿库是否安全运行的重要措施,而尾矿坝的安全因素有矿坝的浸润线,库内水位,坝体的水位移动和竖直位移。可以利用无线传感器网络对浸润线,库内水位,坝体的水位移动和竖直位移进行检测。在坝体内钻孔放置PVC管,管内再放入渗压计,可采集坝内的水位数据。库内埋入水位仪,用于检测坝内的水位情况。固定测斜仪,

测斜传感器可通过自身斜度的变化得到位移变形量。通过振弦式位移传感器测量坝体的竖直位移。利用多种传感器对这几类数据进行采集,在通过路由器实现信息由终端传感器到协调器的转发,协调器通过串口和上位机进行通信,实现上位机对大坝各项安全指标的监控。

2.无线传感器节点的设计

无线传感器网络由大量体积小、能耗低、具有无线通信、传感和数据处理功能的传感器节点组成。因此,传感器节点是传感器网络的基本单元,节点设计的好坏直接影响到整个网络的质量。无线传感器网络节点主要负责对周围信息的采集和处理,并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给基站或更靠近基站的节点。它一般由传感器模块(传感器、A/D转换器)、处理器模块(微处理器、存储器)、无线通信模块(无线收发器)和能量供应模块(电池)组成,如图1所示。

无线传感器网络在尾矿安全监控中的应用

无线传感器网络中的传感器可能正在执行不同的功能,当传感器作为节点时,主要是采集周围环境的数据(温度、光度和湿度等),然后进行A/D转换,交由处理器处理,最后由通信模块发送到相邻节点,同时该节点也要执行数据转发的功能。还可以连接传感器网络与外部网络(如Internet),将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。传感器节点采集到大坝的安全信息后,如应变量,水位,雨量等,再把信息通过I/O模块输入到CC2420,并在CC2420内部实现A/D转换。CC2420是Chipcon公司开发的首款符合Zigbee标准的2.4 GHz射频芯片,集成了所有Zigbee技术的优点,可快速应用到Zigbee产品中。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4定义的可靠的PHY(物理层)和MAC(媒体访问控制层)之上的标准,它定义了网络层、安全层和应用层。Zigbee的协议架构如图2所示。Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术。完整的Zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层组成。其物理层和介质访问控制层协议为IEEE802.15.4协议标准,网络层和安全层由Zigbee联盟制定,应用层的开发应根据用户自己的需要,对其进行开发利用。

无线传感器网络

3.无线传感器网络的建立和数据的接收

在无线传感器网络中,传感器节点用人工进行布置,以一定的间隔距离分布在尾矿库的监控区域内。这些节点再通过自组织方式构成无线网络,并以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息,从而实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。这种以自组织形式构成的网络,可通过多跳中继方式将数据传回中心控制节点,最后将整个区域内的数据传送到远程控制中心来进行集中处理。在传感器加入网络时,传感器和路由器要发出一个请求,协调器在收到信号后向传感器和路由器发出一个十六位的地址,收到传感器和路由器得到地址的信号后,网络立即组成。

为了降低网络工作的能耗并且保证网络的使用寿命,在接收数据时采用周期采集和睡眠两种工作模式。设定好采样周期的时间和采样的次数,传感器自动采集数据。在两次数据采集的间隔时间里,传感器节点处于睡眠状态。传感器节点把采集来的数据存储在CC2420的RAM中,等待协调器提取。流程图如图4

无线传感器网络无线传感器网络

图4 工作流程图

5.结束语

将无线传感器网络技术应用到尾矿库大坝的安全监控系统中,并实现了传感器节点的网络组建,传感器数据的采集和传递。由于Zigbee技术成本很低,低复杂度,低功耗和自组网的特点,使得这个技术可以在尾矿库大坝中广泛应用。


参考文献:
[1] 赵志军,阎高伟,谢克明,尾矿大坝安全监测系统研究[J],现代电子技术,2010,5:197-199
[2] 缪新颖,褚金奎,杜小文,基于大坝监测的无线传感器网络结构的设计[J],传感器于微系统,2009,28:100-103
[3] 张志千,胡军,尾矿坝自动安全监测系统[J],矿业工程,2010,2:53-55
[4] 袁永强,我国尾矿库安全现状分析及建议[J],有色冶金设计与研究,2010,1:51-53

 

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