基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究

邊 晶

（長春大學 計算機科學技術(shù)學院，長春 130022）

0 引言

當前我國煤礦行業(yè)信息化水平較低，信息技術(shù)應用不平衡。井下連采工作面由于設備較多，各設備隨機獨立作業(yè)，造成互相之間信息不溝通，更難以實現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡管理，從而限制了礦井自動化網(wǎng)絡技術(shù)對該地區(qū)的輻射，這在一定程度上制約著煤礦安全生產(chǎn)工作?；谏鲜鲈颍疚淖髡咴O計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以對井下環(huán)境參數(shù)和工況參數(shù)進行采集，并把采集到的參數(shù)實時送往井上的計算機進行顯示、控制和超限報警等處理。

1 系統(tǒng)總體設計

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的安全監(jiān)控，包括對礦井空氣中有害或危險成分（如甲烷、一氧化碳等）的監(jiān)測，礦井空氣物理狀態(tài)（如風速、負壓、溫度等）的監(jiān)測，以及通風設備運行狀態(tài)（如設備開停等）的監(jiān)測，并且在緊急情況下能夠使煤礦井下的一些電器設備斷電，停止運轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)分為井上和井下兩部分[1]。井下部分主要是利用傳感器對礦井內(nèi)的溫濕度和瓦斯體積分數(shù)信息采集，然后通過路由的方式經(jīng)過各個節(jié)點傳送到基站；井上部分主要負責接收從基站傳輸過來的數(shù)據(jù)，通過各監(jiān)測子系統(tǒng)進行處理、分析，以曲線、圖形和報表等形式顯示數(shù)據(jù)，并支持各種查詢統(tǒng)計功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無線傳感器網(wǎng)絡設計

本系統(tǒng)采用基于IEEE802.15.4標準的ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡。ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本、高容量、高可靠性的無線網(wǎng)絡技術(shù)，其工作頻段為2.405 ～2.480 GHZ，采用直接序列擴頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 KB/S[2]，無線網(wǎng)絡數(shù)傳模塊節(jié)點容量最多可達到65000個，每一個數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展，非常適合煤礦井下信息的采集。本網(wǎng)絡節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點都可以自主采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過單跳方式或多跳中繼方式送到匯聚節(jié)點[3]。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是網(wǎng)絡的基本單元，負責數(shù)據(jù)的采集和傳送，其體系結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收發(fā)器）和電源模塊（電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器）四部分組成，如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點體系結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器節(jié)點的設計

在數(shù)據(jù)處理模塊中，微處理器是傳感器節(jié)點的核心部件，負責處理數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)具有高性能、低功耗、多型號接口等特點，本次設計最終采用ATMEL公司生產(chǎn)的的8位單片機ATmega128L作為微處理器單元。ATmega128L先進的RISC結(jié)構(gòu)使其具有較高的計算性能[4]，不但具有UART、SPI、HC等通用接口，而且還具備多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時，它可用的開源開發(fā)軟件工具成熟且傳感器節(jié)點操作系統(tǒng)TinyOS對其支持較好。

雖然ATmega128L微處理器自帶了4KB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，但是對于傳感器節(jié)點來說，擁有一個相對容量更多的、永久的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域是十分必要的,以便遠程節(jié)點代碼的自動更新、節(jié)點配置信息的保存等對更多存儲空間的需要。為此，傳感器節(jié)點的設計中使用了額外的一片512K的AT45DB041非易失性FLASH作為外部數(shù)據(jù)存儲器。

在無線通信模塊中，考慮到無線收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸速率、接收與發(fā)送功率、休眠的能耗、啟動穩(wěn)定時問和信號調(diào)制方式等方面，最終采用了Chipcon公司的CC2420射頻芯片。CC2420射頻芯片采用SmartRF技術(shù)，以0.18urn的CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。由于TinyOS已包含CC2420驅(qū)動支持，因此能夠更加方便地與微處理器相連。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，溫濕度傳感器采用SHTI1芯片，可燃氣傳感器采用KGS-20。SHTI1是sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高精度、抗干擾能力強的數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片通過兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大，然后進入一個14位的A／D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。KGS-20型可燃氣傳感器是以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器，它的基本特征是極高靈敏度和極快的響應速度且功耗低，非常適宜對井下可燃氣體積分數(shù)的檢測。

在本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)基站與主機之間的通信，設計了一個串口通信模塊?；緟R總各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后通過一個RS232串行接口傳送給主機，主機再對這些數(shù)據(jù)進行處理。

3 煤礦監(jiān)控管理軟件設計

井上監(jiān)控管理軟件包括八大子系統(tǒng)，分別為：系統(tǒng)管理、安全監(jiān)測系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、通風監(jiān)測系統(tǒng)、供電監(jiān)測系統(tǒng)、煤流計量系統(tǒng)、主煤流監(jiān)測系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)。軟件用Borland公司的Delphi7.0編寫，Microsoft Access 2003作為后臺的數(shù)據(jù)庫，可以對各種參數(shù)進行表格顯示、曲線顯示、報警顯示和報警統(tǒng)計，以及對各種參數(shù)的報表生成和打印等。

3.1 系統(tǒng)功能設計

安全監(jiān)測子系統(tǒng)作為整個煤礦安全生產(chǎn)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，主要用來監(jiān)測井下的各類環(huán)境參數(shù)和設備開停等主要生產(chǎn)參數(shù)。在一些重要的地點安裝傳感器后，一些環(huán)境參數(shù)和設備開停狀態(tài)信息可以直接在地面中心站及管理網(wǎng)絡工作站上反映出來，減少了井下有關的檢查和值班人員的工作負擔，幫助領導和調(diào)度員及時掌握安全生產(chǎn)情況，為指揮調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。

通風系統(tǒng)的基本任務是：供給井下充足的新風；排除或沖淡礦井中有毒有害氣體和粉塵；調(diào)解礦井氣候條件，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境；提高礦井的抗災能力。

供電監(jiān)測子系統(tǒng)用來顯示和查詢井下各個變電所的母線電壓頻率、提供用電設備及各種保護設備的電流功率等參數(shù)。所完成的功能包括：實時顯示中央變電所、通風機配電系統(tǒng)、主斜井配電系統(tǒng)機房的監(jiān)測數(shù)據(jù)；根據(jù)時間、機房、測點等條件查詢歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)；在該系統(tǒng)內(nèi)還能形成一些用戶使用的報表。

束管監(jiān)測系統(tǒng)可以完成各級領導對束管系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和瀏覽。能夠用圖形的方式直觀顯現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的走向。對每天監(jiān)測的數(shù)據(jù)項有固定的報表格式，能夠查詢。每天最少會抽取三次氣樣，每次同時抽取八種氣體。能夠通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，通過“三角防爆區(qū)理論”對氣體進行危險性分析，并得出結(jié)果。

GIS系統(tǒng)負責用二維圖形表示礦井安全地理信息系統(tǒng)。主要包括圖形數(shù)據(jù)系統(tǒng)與屬性數(shù)據(jù)系統(tǒng)，前者主要輸入、存儲、查詢圖形數(shù)據(jù)(如：點、線、面及其拓撲關系等)，還具有圖形的分析與輸出等功能；而屬性數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要完成圖形實體的屬性數(shù)據(jù)輸入與管理、各種屬性數(shù)據(jù)值的輸出等。但是兩者并不是孤立的，圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)間通過數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫服務器實現(xiàn)動態(tài)連接。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)輸入、圖形編輯、圖形設置、圖形顯示、專業(yè)操作、數(shù)據(jù)輸出、檢索查詢、模型分析和專業(yè)圖例庫等。同時具有通用GIS系統(tǒng)的各種功能，如：放大、縮小、修改、刪除、移動、旋轉(zhuǎn)、復制等。

整個系統(tǒng)最終實現(xiàn)的功能包括：

1）各種傳感器參數(shù)的采集：包括環(huán)境參數(shù)（如甲烷、一氧化碳、溫度和負壓等）和工礦參數(shù)的采集。

2）各種傳感器參數(shù)的顯示：采集器采集到的各種參數(shù)分別在采集器的液晶顯示屏和計算機上顯示出來。

3）超限報警：當檢測到某一傳感器的參數(shù)超限時，采集器及時控制蜂鳴器發(fā)出聲音報警，計算機同時給出聲音和畫面的報警。

4）設備的斷電控制：當需要對某一設備進行斷電控制時，采集器能夠?qū)@一設備的斷電器進行操作，達到對設備的控制。

5）數(shù)據(jù)的遠距離傳輸：各個礦井采集器采集到的參數(shù)需要及時傳輸?shù)降孛嬷行恼具M行監(jiān)測。

6）各種傳感器參數(shù)記錄和回放：計算機軟件把下位機傳來的各種參數(shù)存儲在硬盤空間，工作人員可以選擇任何一種參數(shù)進行記錄和回放。

3.2 系統(tǒng)模塊設計

系統(tǒng)管理：分為用戶管理、日志管理、代碼維護三部分。用戶管理負責管理用戶信息，包括添加、刪除用戶，修改用戶信息，并對用戶分配相應的角色。分配角色負責對系統(tǒng)已有用戶分配相應的角色，以限制和分配不同職能工作人員的操作權(quán)限。日志管理包括報警日志管理和安全日志管理，可以通過時間查詢出相應的報警日志和安全日志。

安全監(jiān)測、通風監(jiān)測、供電監(jiān)測、煤流計量、主煤流監(jiān)測這五大系統(tǒng)都對實時性要求較高，反映的數(shù)據(jù)類型基本類似，所以系統(tǒng)將這五大模塊設計成統(tǒng)一的功能和顯示風格，每個模塊都有“實時顯示”、“實時曲線”、“數(shù)據(jù)查詢”、“歷史曲線”、“報表”這五個功能點?！皩崟r顯示”主要完成對井下與安全或設備狀況密切相關的重要參數(shù)的實時數(shù)據(jù)的顯示功能?！皩崟r曲線”主要實現(xiàn)的是對比較重要的監(jiān)測點或參數(shù)的實時數(shù)據(jù)進行動態(tài)曲線繪制，讓工作人員能夠非常直觀地看出數(shù)據(jù)的變化趨勢，以方便他們對生產(chǎn)的狀況進行分析?！皵?shù)據(jù)查詢”是對一些需要的數(shù)據(jù)進行查看的過程，包括報警數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢，報警數(shù)據(jù)查詢可以看到重要的一些報警數(shù)據(jù)，對重大報警歷史數(shù)據(jù)可以進行打印便于上報或者自行分析處理?！皻v史曲線”主要實現(xiàn)的是對比較重要的監(jiān)測參數(shù)在一段時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)繪制曲線，讓工作人員能夠非常直觀的看到歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢，以方便他們對生產(chǎn)的狀況進行分析?！皥蟊怼笔歉鶕?jù)企業(yè)的需求，對一些關鍵數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計，形成直觀的書面單據(jù)方便保存和打印，為企業(yè)工作提供方便而設計的。

束管監(jiān)測由于對實時性不要求，因此與前幾大系統(tǒng)功能點有所不同，分為“數(shù)據(jù)查詢” 、“曲線分析” 、“報表查詢” 、“三角防爆區(qū)”四個功能點?！皵?shù)據(jù)查詢”是通過測點位置和選擇起始與結(jié)束的日期以表格的表現(xiàn)形式來查詢所有氣體的濃度含量?！扒€分析”是通過日期和測點來查詢在固定時刻各個采樣氣體的濃度百分比曲線圖?！皥蟊聿樵儭笔敲刻焐伞把驁鰹趁旱V束管監(jiān)測分析日報”，同時可以通過日期進行查詢。“三角防爆區(qū)”是可以查詢在爆炸危險區(qū)內(nèi)的所有氣體抽樣記錄，并能顯示每一條抽樣記錄的分析圖和分析結(jié)果，將結(jié)果在分析圖上定位。

“GIS系統(tǒng)”從總體功能上劃分為六個功能模塊，分別是：地圖瀏覽、圖層控制、圖層編輯、搜索定位、實時報警、信息查詢。整個系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 煤礦安全地理信息系統(tǒng)功能模塊圖

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

“煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)庫應包含井下監(jiān)測的主要系統(tǒng)：供電、排水、主煤流、通風、束管、安檢，同時還要添加能夠進行GIS(地理信息系統(tǒng))開發(fā)的庫表信息和系統(tǒng)管理的庫表信息。設計表結(jié)構(gòu)時，考慮到此監(jiān)控系統(tǒng)的特點，將安檢、通風、報警等模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別建表。

4 結(jié)論

本文對無線傳感器網(wǎng)絡煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)及軟硬件設計方法進行了研究。該系統(tǒng)將ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)與傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，彌補了井下監(jiān)控網(wǎng)絡依靠有線傳輸?shù)木窒蓿沟冒踩O(jiān)控系統(tǒng)最大可能地有效覆蓋事故隱患的地方，并為連采工作面移動設備并網(wǎng)提供了技術(shù)支持。利用該技術(shù)，可以很方便地實現(xiàn)有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的無縫接口，為混合網(wǎng)絡的實現(xiàn)提供了重要參考。

[1] 鐘新躍,謝完成.無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦環(huán)境監(jiān)測中的應用[J].煤炭技術(shù),2009,28(9):102-103.

[2] 吳呈瑜,孫運強.基于ZigBee技術(shù)的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008,(5):38-39.

[3] 李繼林.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].煤炭技術(shù),2008,(11):4-5．

[4] 張保華,李士寧,滕文星,張要偉.基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室測控系統(tǒng)研究設計[J].微電子學與計算機,2008,25(5):154-157.