1 引言

近年來，煤炭需求量不斷增加，各地煤礦事故時有發生。針對有線網絡難以動態、全方位監控煤礦的問題，提出采用先進ZigBee技術構成無線傳感器網絡的新型煤礦監控系統，實現對煤礦人井人員的實時跟蹤和定位，隨時掌握井下每個作業人員的位置及活動軌跡。這對保證煤礦安全生產有著重要的現實意義。本文通過對ZigBee無線網絡的討論，重點研究了無線傳感器網絡節點設備。

2無線傳感器網絡結構

2.1網絡拓撲結構

ZigBee網絡支持兩類物理設備，即全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。一般來說，FFD支持任何拓撲結構，可以充當網絡協調器，能與任何設備通信；而RFD只適用于星型網絡拓撲結構，不能充當網絡協調器，只能與FFD通信。在任何ZigBee網絡中必然存在網絡協調功能設備和精簡功能設備，前者可與任何設備通信，用于協調建立網絡；后者因其內部功能結構簡單，上層應用少，某些僅僅包含IEEE標準的協議。

基于ZigBee的煤礦監控系統網絡包含傳感器節點和信息控制中心。信息控制中心由通信機、信息處理服務器、數據庫服務器等組成，主要完成對網絡無線傳感器節點數據進行實時采集、網絡管理、數據分析處理及預警報警功能等。為減小能量損耗和數據包丟失，該系統設計采用簇1樹網絡拓撲結構，如圖1所示。

基于ZigBee的煤礦監控網絡體系結構由傳感器節點，路由器及監控主機3部分組成。運行中，先由監控主機發送查詢的請求命令，通過互聯網傳到路由器。路由節點根據請求命令的具體要求，選擇ZigBee協調器，接著根據命令選擇所要查詢的簇1，當簇1首領收到控制命令后，激活本簇內的所有節點進行通信。本簇內節點及時采集數據，經過數模轉換后發送給本簇的首領，再由首領傳送給ZigBee協調器，然后傳輸到路由器，繼而通過外部網絡傳給控制中心。控制中心對數據進行處理、分析，從而了解該區域的作業人員分布情況。

2.2無線傳感器節點結構

在不同應用中，傳感器網絡節點的組成不盡相同，但基本結構都是一樣的。節點的典型硬件結構如圖2所示，主要包括電池及電源管理電路、傳感器、信號調理電路、A／D轉換器、存儲器、微處理器和射頻模塊等。傳感器節點處理器模塊主要用于對采集的數據以及其他節點發送的數據進行操作、存儲和處理；無線通信模塊負責與其他傳感器節點的無線通信、交換控制消息和收發采集數據；而能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。根據不同應用需求和定位系統來確定傳感器節點位置。

節點在網絡中充當數據采集者、數據中轉站或簇頭節點3種角色。作為數據采集者，數據采集模塊收集周圍環境的數據，通過通信路由協議直接或間接地將數據傳輸給遠方基站或者匯聚節點；作為數據中轉站，節點除了完成采集任務以外，還要接收鄰近節點的數據，將其轉發給離基站更近的鄰近節點或者直接轉發到基站，匯聚節點；作為簇頭節點負責收集該簇內所有節點采集的數據，并進行數據融合處理，然后發送給基站或匯聚節點。匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現兩種協議的通信協議轉換，同時發布管理節點的監測任務．并把采集數據轉發到外部網絡。

2.3傳感器節點硬件設計

傳感器節點硬件電路是以CC2430為核心。CC2430為SoC CMOS器件，內嵌高性能、低功耗8051微控制器，內部集成14位模數轉換器件和符合IEEE802.15.4協議的2.4 GHz的RF收發器，具有優良的天線接收靈敏度和強大的抗干擾性。在接收和發射模式下，電流消耗低于27 mA。CC2430還具有休眠模式和以較短時間轉換至主動模式的特性，適用于那些要求電池壽命長和運行時間長的煤礦監測系統。傳感器節點電路原理如圖3所示。