無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦人體安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：煤礦安全尤其是人員安全是煤礦生產(chǎn)的主要問(wèn)題，針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和煤礦事故的問(wèn)題，提出無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和有線系統(tǒng)結(jié)合的人體信號(hào)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為煤礦的安全生產(chǎn)和事故發(fā)生后的搜救工作提供可靠的保證

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；煤礦安全；人體信號(hào)；監(jiān)測(cè)

1引言

近年來(lái)，煤礦發(fā)生事故的數(shù)量在不斷增加，如何加強(qiáng)安全生產(chǎn)，提高預(yù)警和事后搜救工作效率，擺到了國(guó)家各級(jí)主管部門和領(lǐng)導(dǎo)的面前?，F(xiàn)有的煤礦監(jiān)控監(jiān)測(cè)而言，存在著地面與井下人員的信息溝通不及時(shí)；地面人員難以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況。有線的通訊方式在動(dòng)態(tài)生產(chǎn)的煤礦井下應(yīng)用存在諸多不便，井下地形也復(fù)雜，有線布線不便，建設(shè)成本也高，另一方面現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備都是自成一個(gè)體系，沒(méi)有統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，兼容性很差。我們所希望的未來(lái)煤礦安全系統(tǒng)是能夠事先預(yù)測(cè)事故的發(fā)生，掌握事故的規(guī)律，做出定性和定量的評(píng)價(jià)，向有關(guān)人員預(yù)先警告事故的危險(xiǎn)性，將事故的損失降到最低。本文所闡述的是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用探索?；谀壳盁o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，希望無(wú)線的通訊方式實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息傳輸。

2ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的，涉及多學(xué)科高度交叉，知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器技術(shù)，嵌入式計(jì)算技術(shù)，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通訊技術(shù)，分布式信息處理技術(shù)，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界，計(jì)算世界以及人類社會(huì)三元世界的連通。常用的無(wú)線傳感技術(shù)：802.11b、802.15.4、ZigBee、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費(fèi)頻段[1]。經(jīng)過(guò)綜合比較，本文采用新興的ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)如下[2]：

a) 數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有20～250 kbit/s，專注于低傳輸速率的應(yīng)用。

b) 時(shí)延短：休眠激活時(shí)延和活動(dòng)設(shè)備接入信道時(shí)延均為15 ms，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時(shí)間，從而大大降低能量消耗。

c) 功耗低：由于ZigBee的傳輸速率低，且采用了休眠模式，因此大大降低了功耗。單靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池便可維持6到24個(gè)月，這是其他無(wú)線通信技術(shù)望塵莫及的。

d) 安全性高：ZigBee提供了基于CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

e) 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國(guó))和868 MHz(歐洲)，均為免執(zhí)照頻段。

f) 網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee可采用星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的64-bit編址和16 bit短編址。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

g) 可靠性高：采用了CSMA-CA技術(shù)來(lái)避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

h) 低成本：由于Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，因此大大降低了成本。

3無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在煤礦中的應(yīng)用前端方框圖

4 系統(tǒng)功能的介紹

煤礦中需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)很多，可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參量和動(dòng)態(tài)參量?jī)煞N。靜態(tài)的是指環(huán)境參數(shù)：比如瓦斯?jié)舛?，一氧化碳濃度等，本文主要探討點(diǎn)--針對(duì)移動(dòng)的人的信息的采集，可以通過(guò)對(duì)礦工體溫或脈搏指標(biāo)的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。用新型高分子壓電材料PVDF(聚偏氟乙烯)壓電傳感器對(duì)人體的脈搏信號(hào)進(jìn)行測(cè)量[5]。PVDF具有壓電系數(shù)大頻響寬、聲阻抗易匹配、機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、質(zhì)量輕、耐沖擊、易于大面積成膜和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。然后由電荷放大電路、適調(diào)放大器、陷波器、低通濾波器、信號(hào)整形及光耦合等部分組成，完成信號(hào)的放大，濾波，電壓轉(zhuǎn)換。

通過(guò)脈搏傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)TI公司的低功耗MSP430FG4618處理器，MSP430FG4618是16 位超低功耗 MCU，具有116KB 閃存、8KB RAM、12 位 ADC、雙 DAC、DMA、3 個(gè) OPAMP 和 160 段 LCD[3]和符合ZigBee協(xié)議的CC2420無(wú)線收發(fā)模塊[4]把采集到信號(hào)傳送到礦井主干道上的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

煤礦井下覆蓋的地域范圍往往達(dá)數(shù)百平方公里，由各種巷道和工作面組成，僅靠單一的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成各種信息的傳輸是不可能也不經(jīng)濟(jì)的，必須在礦井的主巷道建立高速、高可靠的，由多種傳輸手段和傳輸媒質(zhì)相互配合、相互補(bǔ)充、協(xié)調(diào)工作的主干綜合傳輸網(wǎng)。本系統(tǒng)把無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)關(guān)，利用電力線載波通信技術(shù)即把載有信息的高頻加載于電流，用電力線傳輸，通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電流中分離出來(lái)，傳送到計(jì)算機(jī)或其他終端，以實(shí)現(xiàn)采集信息傳遞。

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)以手表的形式佩戴在礦工身上，各個(gè)設(shè)備都擁有一個(gè)64位的IEEE地址，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定礦工身份。通過(guò)脈搏傳感器可以知道工人的動(dòng)態(tài)狀況。

地面監(jiān)測(cè)中心和總監(jiān)控中心的是用來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)處理和是否報(bào)警，當(dāng)發(fā)生礦難時(shí)可以記錄人員的位置，通過(guò)脈搏信號(hào)知道工人生還的狀況，從而為是否營(yíng)救，怎樣營(yíng)救等問(wèn)題提出更好的方案。數(shù)據(jù)處理的主要功能：考勤管理功能，通過(guò)監(jiān)控中心對(duì)人員的下井次數(shù)，和井下停留時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)工作人員的考勤管理功能；安全保障和事故處理功能，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)信息，可以迅速知道井下人員及重要設(shè)備的分配情況，通過(guò)脈搏傳感器可以知道人員的身體狀況，一旦出現(xiàn)煤礦事故，可以對(duì)被困人員進(jìn)行定位和搜尋，便于人員的救助。

5 ZigBee模塊的軟件設(shè)計(jì)

人體的生理信號(hào)通過(guò)礦工所佩戴的\"手表\"的ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)模塊體積小，重量輕，并由礦燈供電電池供電。礦工的安全帽上添加報(bào)警按鍵，使得礦工發(fā)出的報(bào)警信號(hào)及時(shí)上報(bào)和處理。同時(shí)，根據(jù)礦井的實(shí)際需要，井下每隔的距離安裝一個(gè)無(wú)線傳感基站模塊，同時(shí)在特殊需要定位點(diǎn)也安裝。這些基站模塊組成一個(gè)分布式無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，各模塊相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器模塊體積小，并且不需要井下布線進(jìn)行通信，是一種較優(yōu)的選擇。ZigBee模塊進(jìn)行通信之前需要進(jìn)行有效初始化，初始化流程圖如圖2所示。

初始化通信過(guò)程中，ZigBee匯節(jié)點(diǎn)主動(dòng)廣播接連信令，在傳感器節(jié)點(diǎn)成功接收和驗(yàn)證一個(gè)數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，向匯節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)幀，傳感器節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊被置于Sleep工作模式，接下來(lái)匯節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換，匯節(jié)點(diǎn)模塊處于從模式工作狀態(tài)，等候響應(yīng)連接請(qǐng)求命令，此時(shí)ZigBee模塊工作在主模式下，等待著有需求時(shí)喚醒發(fā)起連接請(qǐng)求。初始化過(guò)程結(jié)束后，ZigBee模塊工作于Sleep模式，拒絕任何的連接請(qǐng)求。ZigBee模塊信息處理框圖如圖3所示。

總結(jié)。

煤礦安全是煤礦生產(chǎn)的永恒話題。人員的監(jiān)控和救助是實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重要保證之一，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，本文提出對(duì)人體信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和對(duì)人員進(jìn)行定位的無(wú)線和有線結(jié)合的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并闡述了設(shè)計(jì)思路。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在煤礦中有著廣泛的應(yīng)用空間，使各地國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局能直接控制礦井安全管理，減少私人礦井所有者玩忽職守的可能，以達(dá)到進(jìn)一步提高現(xiàn)有礦井安全管理水平的目的。

參考文獻(xiàn)

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