我国煤炭资源很丰富，探明可直接利用的煤炭储量1886亿吨，人均煤炭储量145吨，产量占世界总产量的31％，是我国的主要能源。近年来，随着对煤炭需求的快速地增长，煤炭工业也得到很大发展，但是各地煤矿事故频发，导致非常严重的人员受伤或死亡及经济损失，成为构建和谐社会不能承受之重，当务之急就是提高煤矿安全监测系统的技术水平。
煤矿无线监测作为一个新兴的研究领域，具有十分广阔的应用前景。本文提出了一种基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统，充分的利用无线传感器网络的特点，并且通过对比各种应用于井下无线通信技术的特点，选择了ZigBee技术作为无线传感器网络的通信平台，实现对井下各种各样的环境及生产参数全方位、实时监测和智能预警，以大幅度的降低煤矿生产安全隐患。
本文依托兖矿集团东滩煤矿对无线监测系统的研究，架构设计了基于处理器MSP430和CC2420射频芯片的硬件开发平台，对硬件平台中各个功能模块的细节进行了详细的描述，并采用无线传感器网络操作系统TinyOS嵌入到硬件平台。总系统的核心技术是无线传感器网络技术，系统的灵活性、可维护性和可扩展性得到了明显地增强。本设计达到了改进兖矿集团矿井的井下监测系统，提高矿井安全生产水平和安全生产管理效率的目的。
关键词：无线传感器技术，煤矿安全，ZigBee技术,MSP430，CC2430
我国煤炭资源很丰富，探明可直接利用的煤炭储量1886亿吨，人均煤炭储量145吨，产量占世界总产量的31％，是我国的主要能源，占一次能源消耗构成比例的75%。由于煤炭工业对中国现在及其未来的国民经济发展起着及其重要的作用，那么就要确保煤炭产业健康有序的发展。由于煤炭开采属地下作业，地质条件复杂，开采条件极端多变，生产的全部过程复杂，受到水、火、煤尘、瓦斯等多种自然灾害的威胁；而且在煤炭资源特殊的开采环境中，地下生产作业的工作人员分布集中、各种设备交互使用，以及井下通信的多样性和多变性使井下作业和井上调度的通信困难程度进一步增大，致使煤矿安全生产问题较别的行业更重要、更复杂、更难解决。
目前，我国的煤矿安全监测监控系统大多是有线网络，需要铺设大量的信号线，随着矿井开采深度的增加，这些信号线不断延伸、移动，而且经常会被砸断，难以确保重要安全数据、控制数据和井下仪表的监测数据及时的传输，可以说现有的有线网络较难达到动态全方位的井下监测，一定要采用先进技术对其进行网络改造，那么如何有效地对采煤环境进行监测和控制，怎么样提高煤矿生产的信息化水平是目前煤矿监测技术探讨研究的重点。本章简要说明了课题的研究背景和现实意义，并综述了煤矿环境监控技术的研究现状和发展的新趋势，在此基础上提出了本文的研究内容。
我国煤矿采煤环境检验测试多采用独立、分散的传感器，需要人员携带各种探测器进入现场监测后，才能得到矿下的各种信息，用起来既不方便又不安全。而且矿井开采工作面是一直在变化的，需要传感器随工作面的移动而移动，现有的有线传感器检测网络，就要一直的调整传感器的位置，需要繁琐的拆装、调试、校准，而且由于采煤工作面的特殊性，信号线极易损坏，使用很不方便。
鉴于以上情况，结合无线传感器网络，将其应用到煤矿安全监测系统中，它通过众多传感器节点协作地实时监测、感知和采集井下甲烷、粉尘、负压、温度、一氧化碳、风速等信息，通过嵌入式系统对信息做处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、便携、可靠性高、易于校正等优点。基于无线传感器网络的煤矿监测系统能够解决有线方式监测系统所存在的问题，其实现具有极大的推广价值，拥有良好的市场前景。
上世纪60年代，就己经存在多种形式的监测系统[1]，并经历了几个阶段的发展。最早期使用的是继电器，能够实现信息扫描、故障报警及模数转换。接着第二代是在六七十年代占主导地位的模拟仪表测控系统，其显著缺点是模拟信号易受干扰而且精度低。后来产生的集中式监测系统是第三代，此类系统的监测器是采用单片机或微机，是整个监测系统的中枢，负责所有数据的集中采集、处理、分析及报警等，其系统结构模式如图1.1所示。
煤矿安全监测系统是从最初对生产系统的遥控、遥测和遥信技术中发展起来的。上世纪中叶，随着采煤机械化的发展，引起了第一次煤炭工业的技术革命，到了六十年代初期国外就慢慢的开始对井下生产环境及生产环节设计了早期的监测系统，系统的容量极其有限。七十年代随着计算机的出现及新的数据传输和处理技术在煤矿监测系统中的应用，使得美国、德国、英国的监测系统技术取得长足发展，各国的监测系统逐渐从单纯的安全监控和生产监测转变为综合的监控系统。美国于1978年开始研究SCADA系统大多数都用在井下设备工况和环境参数的监控。但由于美国矿井条件的特殊，机械化程度高，监测系统发展又较晚，总的来看尚处于发展初期。英国为适应煤矿各种生产及安全环境的监控而设计了一整套硬件和软件系统。系统设备由计算机、操作台、打印机、显示终端等组成，可对瓦斯、一氧化碳、煤尘、涌水、扇风机和局扇等情况实施不间断监测，可连续监测128个点，信息传输距离可达20km，可实现多个方面数据显示、存储、打印、记录及绘制图表等功能。德国是发展煤矿监控技术较早的国家之一，有许多自动化装置在井下得到应用，煤矿自动化水平较高。波兰和法国目前用于集中监控瓦斯系统有CTT63140VP，CMM20型CMC-1型[2]等几种，除能监测瓦斯外，还可集中监控一氧化碳，温度，压力等。总之，当前各国矿井安全监测系统都处在发展阶段中，生产参数的监测量较大，而在环境安全监测方面，除德国比较齐全外，其它国家目前装备数量为数尚少。这些国家的矿井监测系统虽不多，其技术水平也不同，但近十几年来井下环境监视测定系统在预防恶性爆炸事故中，发挥了重要作用。
我国的煤矿安全监控技术起步较晚，始于上世纪80年代初期，和国外相比还有一定差距，仍处于引进和初级研制阶段。80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等国家引进了一批安全监控系统（如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200）。随着国内计算机技术在安全管理领域的应用，安全监测系统在硬件、软件的持续不断的发展，结合国内煤矿的真实的情况，自主开发了KJ系列监控系统，在国内矿井中进行了广泛应用，为我国煤矿安全生产起到了重要的作用。其基本系统结构图如1-2所示。
我国现有的煤矿安全监测系统主要以有线联网监测为主体，主要由传感器、井下分站、通信接口装置、监控中心站、监测终端等部分所组成。主要工作方式是在矿井下指定的地方安装各种监测传感器，再通过通信电缆把测试到的数据传到煤矿上面的控制室，但是井下采矿作业面广、环境复杂、所需电缆长，要求数据采集或监控的网点多，数据传输可靠性、安全性高，存在布线复杂、安全性差、铺设线缆成本高等问题，且由于各个系统自成一体，在通信协议上和信息交换上标准不一，难以实现综合信息的集成、融合和决策，而近些年来无线网络技术的发展，为建立井下通畅、可靠的无线无线传感器的概念
传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的器件或装置，通常由转换元件和敏感元件组成。其中转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适合传输和测量的电信号部分，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分。传感器技术作为信息技术的重要支柱，其发展受到了广泛关注，它是现代检测系统的“五官”，是获取信息的装置[3] ，是实现自动检验测试和自动控制的首要环节。随着现代科学技术的快速的提升，特别是中、大规模集成电路技术的发展和微型计算机的普及，传感器作为现代检测系统的“五官”，可以搜集各种信息，这一些信息送入微机后，由微机做处理判断，并发出各种控制信号去控制执行机构，以满足各种需要。
现代传感器已经不只有具有单纯的特定简单信号输出的功能，而是集成了更多更复杂的信号处理功能，所以有些国家或学科领域把传感器称为变送器、变换器或换能器，现代测试仪表中更多的称之为传送器(Transducer)，而把输出为标准信号的传感器称为变送器(Transmitter )，如ABB DATUM U110/U111超声波非接触式物位测量仪表，它可大范围的应用于化工，食品，制药，采石以及发电等工业领域。
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)是由美国高级国防研究中心提出并实施的，最早大多数都用在军事目的。该网络是由部署在监测区域内大量的微型廉价的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，如图1.3所示，能够实时地监测、感知和采集各种各样的环境或监测对象的信息，传送到所需用户，并对其做处理。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、遥测、遥控技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，是一个范围广、动态性、自组织和可靠的监控网络。近年来随着无线通信技术、微型制造技术和电池技术的发展，使得低成本、低功耗的微型无线传感器的大规模生产制造成为现实。无线传感器网络技术作为计算机科学技术的一个新的研究领域，其研究、开发和应用，关系到国家安全、经济发展等各个重大方面，在国际上引起了广泛的重视和大量的投入，并大范围的应用于军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面，被认为是将对本世纪产生巨大影响力的技术之一。
无线传感器网络是由很多个无线传感器节点组成的，虽然每一个传感器节点的硬件结构件组成不完全一样，但各个硬件模块的功能基本一致，如图1.4所示[4]，大概能分为传感器模块(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、DC/ DC能量转换器)。其中，传感器模块负责信息采集，感知周围环境中需要感知的各种参数并将其转化为处理器可处理的数据；处理器模块是传感器节点的核心部分，控制整个节点的工作状态，存储和处理本身采集的数据和来自其它节点的数据，协调与其它节点之间的通信；无线通信模块负责与其它传感器节点的无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，一般会用微型电池。
从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由选择双重功能，作为传统网络节点的终端，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度)，传感器节点通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(base station)或汇节点(sink node)；作为路由器，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点，同时与其它节点协作完成一些特定任务。
运行监控软件的微机位于总系统的最高层，通过以太网等通信线路与汇聚节点互相通信，是管理节点。监控软件通常具备数据处理、分析和存储的能力，将来自无线传感器网络的大量感知数据，以直观的方式呈现给工作人员。负责监测的工作人员是通过监控软件向无线传感器网络发送监控命令、接收传感数据信息。
在无线传感器网络和以太网等外部网络之间的是汇聚节点，他的的解决能力、存储能力和通信能力强，能轻松实现两种协议栈之间的通信协议转换，将管理节点的监测任务转发至无线传感器网络，并将无线传感器网络所收集的数据转发到外部网络。
无线传感器网络不仅仅具备传统Ad-hoc[5]网络动态、多跳、自组织的特点，而且还具有很多独特的优势。传统Ad-hoc网络是由很多节点组成的自组织的无线局域网络，目的是通过移动管理技术和动态路由传输具有服务的品质要求的多媒体信息流，所有的节点都能移动，网络拓扑结构较为复杂多变，节点通常具有持续的电源供电。而无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，传感器节点数目更多，分布更为密集。
为了增强了监测系统的容错性能，通常在监测区域内安放大量的传感器节点。通过对大量的信息数据来进行分布式处理可提升监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求。
无线传感器网络的拓扑结构经常会因为节点的增加、移动、故障、环境通信条件变化等因素发生改变。所以网络系统一定要能适应这种变化，具有动态的系统可重构性。
因为无线传感器网络中的节点通常被部署在没有基本网络的区域，节点的位置是按照需要随时设定的，节点之间的关系预先不清楚，所以要求节点具有自组织的能力，自动来管理和配置，利用互联网协议和拓扑控制机制自动形成多跳的无线）可靠性
无线传感器节点是任意分布在被检测区域的，一般环境中采用人工放置的方法，这样做才能够保证节点的大体均匀分布；在危险区域或者不方便人工放置的情况下，能够使用飞机投放，炮弹弹射等方法，这一些因素导致了对网络进行人工维护的可行性很低。这就要求传感器节点的构造材料、物理特性，以及网络的通信保密性、安全性等具有很高可靠性。
人们根据各自的实际应用设计无线传感器网络系统，不同的应用背景对无线传感器网络的要求不同，其软、硬件系统和网络协议就会有很大的差别。这是它与传统网络设计的最大不同。
典型的传感器节点协议栈结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层[6]。在这个层次结构中，无线传感器网络各层都设计到三个管理：能量管理、任务管理和移动管理。如图1.5所示，但是各层实现这三个管理的侧重点不同。应用层主要负责任务管理，给各个子网和传感器节点分配监测任务，应用层也考虑移动管理。网络层与数据链路层负责能量管理和移动管理 (例如SAR协议)。物理层有能量管理，但是较少考虑移动管理和任务管理问题。下面我们对各种无线传感器网络协议逐层进行介绍。
（1）物理层：设计物理层首先要考虑信号的传输介质。目前，无线传感器网络主要是基与无线电通信，无线电通信主要要解决无线频段的选择、调制技术和扩频技术等问题。无线传感器网络的节点体积、成本以及能耗主要是由物理层决定的，而能耗和成本是设计无线传感器网络的两个最主要性能指标，也是无线传感器网络物理层协议设计中要重点考虑的核心问题。所以物理层是无线传感器网络的研究重点之一。
（2）数据链路层：该层协议用于解决信道的多路传输问题。数据链路层的工作集中在数据流的多路技术，数据帧的监测，介质的访问和错误控制，它保证了无线传感器网络中点到点或一点到多点的可靠连接，介质访问控制(MAC) [7]协议是其主要协议。MAC协议的基本功能是在相互竞争的用户之间分配信道资源。传统的无线信道主要有两种分配方法：随机分配法，包括802.11中使用的CSMA、MACA （Multiple Access with Collision Avoidance，带冲突避免的多路访问)和MACAW（MACA for wireless）；固定分配法，包括FDMA、TDMA、CDMA、 SDMA等。这些协议的主要目标是在用户公平使用信道资源的前提下，提高吞吐量和带宽利用率。而无线传感器网络系统的特点给MAC协议提出了一些新要求，包括低能耗、低通信延迟和动态可扩展等。
（3）网络层：该层主要负责对传输层提供的数据来进行路由。大量的传感器节点散布在监测区域中，要设计一套路由协议来供采集数据的传感器节点和基站节点之间的通信使用。与传统网络相比，无线传感器网络的以下特点会影响到路由协议的设计：①无全局统一的逻辑地址，要求路由算法只可以通过发送数据的内容来构建并维护传输路径；②网络拓扑结构频繁变化，要求路由算法在建立路径时尽量用本地信息；③资源有限，要求路由算法尽量简单；④网络中具有大量冗余信息，要求中间节点在转发时能够剔除冗余信息，以此来降低网络负载[8]。
（4）传输层：该层用于维护传感器网络中的数据流，是保证通信服务的品质的重要部分。与传统网络相比，无线传感器网络一直处在未知环境中，采用多跳的通信机制以及以数据为中心等特点，使得必须对传统的传输层协议进行改进。当传感器网络需要与别的类型的网络连接时，例如基站节点与任务管理节点之间的连接就能够使用传统的TCP或者UDP协议。但是在传感器网络的内部是不能采用这些传统协议的，这是因为传感器节点的能源和内存资源都非常有限，它需要一套代价较小的协议。
（5）应用层：根据应用的具体实际的要求的不同，不同的应用程序能添加到应用层中，它包括一系列基于监测任务的应用软件。
无线传感器网络被大范围的应用在军事和工业领域，非常适合于那些设备成本较低，传输数据量较少，使用电池供电并且要求上班时间较长的应用场合。如在军事上的应用，通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息；在环境观测中的应用，能够适用于检视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜和家禽的环境状况和大面积的地表监测、气象和地理研究、洪水监测等；在医疗护理中的应用，用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等；在智能家居中的应用，家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起，为人提供人性化的家居环境[9]；在探索宇宙中的应用，借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表明上进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间能够直接进行通信，也可以和地面站进行通信。同样在煤矿井下安全监测系统中，无线传感器网络也有广阔的应用空间，可当作数据采集与传输的平台。但是专门针对煤矿安全方面的无线传感器网络，国外文献中报道的很少，更缺乏广泛应用的成功技术。