WiFi技术在矿井远程监控系统中的应用.pdf

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1、WiFi 技术在矿井远程监控系统中的应用蒋峰，张凌涛，贺超英(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)摘要:WiFi 以其灵活性和可移动性，越来越受到广泛关注，显示出极大的应用前景。本文介绍了 WiFi 技术的特点和优势，结合实际情况提出了一种基于 WiFi 技术的矿井远程监控的实施方案，并对该方案在远程监控系统中的具体应用进行了阐述，实践证明该方案具有应用灵活、布线简单等特点，具有一定的推广应用价值。关键词:WiFi;远程监控;温度传感器;PCMCIA中图分类号:TD76文献标识码:B文章编号:1003 496X(2010)03 0062 04基金项目:湖南省教育厅科研基金资助项目(06

2、C898);中南林业科技大学青年科学研究基金资助项目(07045B)近年来，随着国民经济的快速发展，煤炭作为能源的需求越来越大，相应的引起煤矿生产的强度增大，有些煤矿甚至超负荷生产。近段时间煤矿安全事故频繁出现，因此，能够对矿井环境中的各种状态进行实时监测和预报，显得尤为重要。由于矿井的特殊环境，传统的有线网络监测手段存在铺设困难、成本高等缺点，越来越不能满足需求。针对矿井环境状态的实时监控，着重探讨一种基于 WiFi 技术的无线网络远程监控系统的具体应用。1WiFi 技术的简介WiFi 全称 Wireless Fidelity，又称802.11b 标准，是 IEEE 定义的一个无线网络通信的

3、工业标准(IEEE802.11)。802.11b 定义了使用直接序列扩频(Direct Sequence Spectrum，DSSS)调制技术在 2.4GHz 频带实现 11 Mbit/s 速率的无线传输，在信号较弱或有干扰的情况下，宽带可调整为 5.5 Mbit/s、2Mbit/s 和 1 Mbit/s。WiFi 是由 AP(Access Point，无线访问节点)和无线网卡组成的无线网络，AP 是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，其工作原理相当于一个内置无线发射器的 HUB或者是路由;无线网卡则是负责接收由 AP 所发射信号的 CLIENT 端设备。因此，任何一台装有无线网卡

4、的 PC 均可透过 AP 分享有线局域网络甚至广域网络的资源。WiFi 的技术优势主要体现在:(1)建设便捷，免去了网络布线的困难。(2)无线电波覆盖范围广。WiFi 的半径可达100 m(蓝牙技术的电波半径只有 15 m)最新的一款新型交换机能够把 WiFi 的通信距离扩大到 6.5 km左右。(3)传输速度快，可达到 11 Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。WiFi 有两种工作模式:Ad hoc 和 Infra struc-ture 模式。IEEE 标准以独立的基本服务集(IBSS)来定义 Ad hoc 模式工作的客户端集合，以基本服务集(BSS)定义以 Infra structu

5、re 模式工作的客户端集合。在 Ad hoc 模式中，客户端不能直接和网络外其他的客户端通信。Ad hoc 模式的设计目的是使在同一个频谱覆盖范围内的客户间能够互相通信。如果一个 Ad hoc 网络模式中的客户想要和该网络外的客户通信，则该网络中必须有一个客户做网关并执行路由功能。而在 Infra structure 模式中，每一个客户将其通信报文发向 AP。AP 转发所有的通信报文。这些报文可以是发往以太网的，也可以是发往无线网络的。这是一种整合以太网和无线网络架构的应用模式。无线访问节点负责频段管理及漫游等指挥工作。一个 AP 最多可连接 1 024个站点。12系统总体方案设计考虑到环境监

6、测点设置的灵活性及远程实时监控的要求，采用了 Infra structure 模式来实现远程控制。系统采用 AP 完成环境监测点的接入，由多个 AP 经以太网交换机后接人城域网。根据井下环境的检测要求，需要监测井下的瓦斯、温度、通风、排水等模拟量，系统的总体设计方案采用图 1 所示结26煤 矿 安 全(Total 425)技术经验构。图 1系统网络布局方案由于整个系统的监测终端模块的工作原理大致相同，文中主要讨论温度采集及无线通信功能的实现。3温度采集及无线通信模块的硬件设计在温度的远程监控中，温度采集及无线通信模块的硬件框图如图 2 所示，考虑到系统将来的更新升级的需要，微处理器选用 Mot

7、orola 公司生产的基于 PowerPC 架构的嵌入式通信芯片 MPC850SE，MPC850SE 芯片内部集成了 PCMCIA 控制器，此接口符合 PCMCIA 2.1 规范。图 2模块组成原理框图3.1温度采集温度采集利用 TMP05 传感器进行。TMP05 是一款由美国模拟器件公司提供的，采用超小型 SC 70 封装的 1.0精度本地温度传感器。它的小外形尺寸加上单线和菊花链模式，使得它非常适合于解决在电路板设计的最后一分钟出现的热管理挑战。它的数字 PWM 输出与温度成正比，可由微控制器定时器端口直接读取。它具有以下特点:(1)输出和 CMOS/TTL 电平兼容。(2)推挽输出，25

8、 100C 的精度为 1C，整个温度范围为 40 150C。(3)工作电压为 3 5.5 V 单电源供电。(4)超小封装(SC70 及 SOT23 两种封装形式)，5 引脚封装，电路连接简单。TMP05 有 3 种工作模式，用户可根据需要设置FUNC 引脚的状态选择合适的工作模式，FUNC 引脚的状态与工作模式的关系如表 1 所示。采用单次转换模式来实现对温度的采集。表 1TMP05 工作模式FUNC 引脚工作模式低电平单次转换浮空连续转换高电平菊花链工作模式3.2无线通信电路的设计无线通信采用 WiFi 技术，通过选用基于 IntersilPrism2 芯片组的无线网卡模块来实现。由于处理器

9、内部的 PCMCIA 接口控制器信号无法直接连接外围接口，需要用外围电路进行数据缓冲和电平转换，通过逻辑控制模块来实现，整个模块的连接示意图如图 3 所示。图 3温度采集及无线通信模块的硬件连接示意图4温度采集及无线通信模块的软件件设计温度采集及无线通信模块的软件部分包括:温度数据采集处理、无线网卡驱动、数据接收和发送等。限于篇幅，主要讨论温度采集和无线网卡驱动程序的实现。4.1温度数据采集处理程序的设计温度传感器 TMP05 的工作过程为:在单次转换模式下，处理器通过内部计数器的输入引脚输出一个低电平信号至 TMP05 的 OUT 引脚，然后释放;这时开始计算 OUT 引脚高电平的持续时间，

10、并将其保存;当 OUT 引脚变为低电平时，由另外一个计数器开始计数低电平的持续时间，最后根据两次所记录的值以及温度计算公式计算出温度。实现环境温度采集和处理的程序流程图如图 4 所示。4.2无线网卡驱动程序的设计无线网卡的驱动是实现该设计的关键。在Windows xp、Windows vista、Linux 等操作系统环境下，可以用厂家提供的设备驱动程序来使用 WiFi 网36技术经验煤 矿 安 全(2010 03)图 4数据采集处理程序流程图卡。但通常情况下，这种系统对硬件资源(如:CPU性能、存储器容量等)有较高的要求。而在实际的嵌入式应用中，考虑到设计成本问题，对硬件的资源往往会进行限制

11、。因此，很多系统都在简单操作系统(如 uC/OS 等)或无操作系统的环境下运行，这时就需要对整个软件协议作适当的裁减。所设计的系统是工作在无操作系统的环境下，所选用的无线网卡模块是以 Prism MAC 为接口，要实现其驱动就是向命令寄存器发命令来操作 MAC，主要是通过对该接口的一组寄存器(如:命令寄存器、中断使能寄存器、状态寄存器等)进行操作来实现的。系统在上电之后对这些寄存器按照操作要求进行数据的配置即初始化;然后开始进行数据的接收和发送，具体的实现过程为:初始化网卡、分配 buffer、查询网卡状态、读数据、写数据等。数据在无线网卡中的传送流程如图 5 所示。图 5网卡数据发送流程图接

12、收数据时，先读取事件状态寄存器的值，判断是否有数据接收;若有，则把数据装入接收缓冲区，然后调用数据读取函数进行读取。无线网卡驱动程序包括 6 个主要函数，分别是:Init_Interface()，Init_wlan()，WR_Mem()，WR_Reg()，RD_Mem()，RD_Reg()。Init_Interface()函数用于对 MPC850SE 处理器内部的 PCMCIA 接口控制器的初始化，Init_wlan()函数用于无线网卡设备的复位，其作用是通过控制 RESET 复位线为低电平，延迟一段时间以后，再恢复为高电平。无线网卡设备内部地址空间分为 Memory 空间和 I/O 空间，对

13、Memory 空间读写分别为 RD_Mem()，WR_Mem()，而 I/O 空间的读写为 RD_Reg()，WR_Reg()。这几个函数区别在于控制引脚 WE、OE、IORD、IOWR 的操作时序不同。整个模块的主程序流程图如图 6 所示。图 6模块的主程序流程图5结论将 WiFi 技术和以太网技术结合应用于远程的矿井监控系统，不但能够实现对井下环境的自动监测，还提高了系统应用的灵活性，同时也减少了井下环境监控系统现场布线带来的各种问题。采用WiFi 技术实现的无线分布式监控系统具有一定的推广应用价值。参考文献:1ANSI/IEEE Std802.11 Wireless LAN Medium

14、 AccessControl(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifica-tions.1999.2 黄孟波，张宇林.DSP 芯片 TMS320VC5402 与无线网卡的接口设计 J.电子元器件应用，2008(3):21 23.3IEEE 802.11b 1999 Supplement to802.11 1999，Wireless LAN MAC and PHY specifications:Higherspeed Physical Layer(PHY)extension in the 2.46煤 矿 安 全(Total 425)技术经验OPC 在煤矿监控信息集成中

15、的应用史丽萍，阎同东，张建伟，刘景勇，刘志远(中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116)摘要:目前我国煤矿企业生产实际过程中安全监测监控系统种类繁多、通信标准不统一，从而难以实现不同设备间的信息共享。探讨了基于 OPC 的信息集成思想，同时在 OPC 通信体系结构基础上给出了基于 OPC 接口规范的通信原理及.Net 框架下的通信实现。关键词:煤矿;信息集成;OPC;.Net中图分类号:TD76文献标识码:B文章编号:1003496X(2010)03 0065 04随着煤炭行业信息化和网络化的发展，为了保证生产的安全进行，我国大多数煤矿企业生产的实际过程中基本都采用了各种各样

16、的安全监测监控系统，并在实际应用当中发挥了重要的作用。但是各个监控系统多为封闭系统，都有自己相对独立的数据传输、存储方式，互不兼容，因此容易形成“信息孤岛”，甚至造成一些系统的重复投资与建设。进行各监控子系统的信息集成，实现信息的共享，为信息管理系统、决策支持系统等应用程序提供全面的数据信息，有利于为领导、各级生产指挥者和业务部门的生产决策提供充分的数据支持，进一步提高管理水平，提高生产效率。OPC(OLE for Process Control)技术的提出可以有效的解决信息集成问题。它是国际现场总线基金会倡导的工业自动化领域中硬件设备与软件系统集成的技术标准。其目的是为工厂底层设备或者现场监

17、控数据库中的大量数据源之间的通信提供一种标准的通信机制。1OPC 在信息集成上的优势在煤矿的各个复杂监控子系统中采用了不同的仪器、仪表、PLC 和单片机等各种设备，这些设备都提供了与计算机通讯的通讯协议，从而为上位机监控应用软件的设计提供了极大的方便。但是，由于缺乏统一的工业控制标准，不同厂商提供的协议不同，甚至同一厂商的不同设备类型和计算机通信的协议也不相同，因此，在传统的计算机监控应用程序开发过程中需要为不同的设备开发相应的驱动程序，以获得底层设备的数据信息，如图 1 所示。这种传统的数据交换传输方式带来了大量重复性的开发工作，也带来了很多问题。信息集成困难便是其中的明显问题，如果要实现现

18、场各种监控信息的集成，就要开发大量的设备驱动程序，不仅会造成开发上的难度也势必会影响软件的性能，这样就容易形成“信息孤岛”，不利于信息共享。采用 OPC 标准后，上位机监控应用程序与底层设备的数据信息交换如图 2 所示。由硬件开发商开发相应设备的 OPC 服务器提供统一的 OPC 接口，不同的监控应用程序可以直接通过 OPC 接口对各种设备的数据信息进行操作，不必进行针对特定设备的驱动程序开发。从而避免了开发重复性，便于实现不同设备之间的信息共享檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺。4GHzband.4 802.11b 1999/Cor1

19、 2001，Wireless LAN Medium Ac-cess Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifi-cations Amendment2:Higher speed Physical Layer(PHY)extension in the 2.4GHzband Corrigendum1.5 汪安民，蔡湘平，李安.802.11b 的无线网卡在 DSP系统中的实现J.单片机与嵌入式系统应用，2006(3).6 庄艺唐，沈建华.一种 Wi Fi 手机的设计与实现 J.电子设计应用，2004(8).7吴红举，沈建华.嵌入式 WiFi 技术研究与通信设计 J.单片机与嵌入式系统应用，2005(6).作者简介:蒋峰(1976 )，男，中南林业科技大学电子与信息工程学院教师，主要从事嵌入式系统应用技术的研究与开发。(收稿日期:2009 07 15;责任编辑:金丽华)56技术经验煤 矿 安 全(2010 03)