淺談無線傳感器網(wǎng)絡在瓦斯監(jiān)測中的應用

摘要：傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)很難及時對煤礦的井下狀況進行監(jiān)測，而無線傳感技術能能夠克服這一局限，所以出現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。本文探討了無線傳感網(wǎng)絡在瓦斯監(jiān)測中的應用情況，并根據(jù)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的投入使用情況，提出了相應的方案。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡；瓦斯監(jiān)測；應用

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 15-0000-02

煤礦的生產安全影響到我國國民生產的發(fā)展。在煤礦企業(yè)的運作過程中，瓦斯事故帶來的危害最大，而且有著最高的死亡率。而瓦斯涌出狀況大多數(shù)發(fā)生在采掘面，這就使煤礦的瓦斯監(jiān)測工作變得困難起來。而無線傳感網(wǎng)絡技術成為解決這一難題的突破口。文章討論了無線傳感網(wǎng)絡技術的優(yōu)勢和實際應用，并提出了煤礦企業(yè)的瓦斯檢測系統(tǒng)建設方案。

1 無線傳感網(wǎng)絡技術的優(yōu)勢

1.1 有線傳感網(wǎng)絡的不足

（1）布線工作復雜，勞動強度高。

（2）相對來說，監(jiān)測點比較固定，所以容易產生監(jiān)測盲區(qū)。

（3）網(wǎng)絡結構比較固定，不能適應采掘面不斷延伸的動態(tài)需求。

（4）通信線路易受損壞，而且損壞后的的修復周期較長。

（5）由于維護費用高，造成了邊維護、邊生產的現(xiàn)象，有些企業(yè)甚至不進行維護。

1.2 無線傳感網(wǎng)絡技術的工作原理

無線傳感網(wǎng)絡由大量的微型傳感器組成，每一個傳感器都是一個節(jié)點，這些節(jié)點組成了一個網(wǎng)絡。由微型傳感器組成的網(wǎng)絡能夠通過相互協(xié)作對環(huán)境信息進行監(jiān)測、感知和采集，并能夠處理數(shù)據(jù)，然后將處理信息傳送給監(jiān)測中心，從而為用戶端提供相應的管理服務。無線傳感網(wǎng)絡一般由檢測中心、匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點組成。眾多的傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域周圍和內部隨機分布，然后以自組織的方式組成一個網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點所檢測到的數(shù)據(jù)通過其他節(jié)點逐跳傳輸，然后被送到匯聚節(jié)點，最后借助衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)被發(fā)送到檢測中心。用戶可以在監(jiān)測中心進行傳感器網(wǎng)絡的配置與管理，還可以進行監(jiān)測任務的發(fā)布和監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集。

1.3 無線傳感網(wǎng)絡技術的應用

無線傳感網(wǎng)絡將傳感器技術、嵌入式技術、遙控技術、遙測技術、無線通信技術和分布式信息技術綜合在一起，最初是由美國的高級國防研究中心提出和實施，原本是用于軍事目的。這項技術被認為是21世紀十大重要新技術之一?，F(xiàn)在，無線傳感網(wǎng)絡技術的應用范圍十分廣泛，它可以用于移動目標跟蹤、有害氣體監(jiān)測、環(huán)境變化檢測等。

1.4 無線傳感網(wǎng)絡技術應用于瓦斯監(jiān)測的優(yōu)勢

（1）傳感器網(wǎng)絡有大量的節(jié)點，而且節(jié)點的分布密度很大，每一個節(jié)點又能進行一定的數(shù)據(jù)融合。所以，如果采用無線傳感網(wǎng)絡技術，既可以將整個網(wǎng)絡的能量消耗降到最低，又能保證所獲取信息的準確性。

（2）如果節(jié)點有數(shù)量的增減和位置的變動，或者個別的節(jié)點有故障出現(xiàn)，網(wǎng)絡都能夠進行自我修復。網(wǎng)絡能夠對各種變化做出反應，對拓撲結構做出相應的調整，從而使網(wǎng)絡的功能正常運轉。這樣，在沒有人工干預的情況下，系統(tǒng)就有了動態(tài)的可重構能力。

（3）無線傳感器的節(jié)點有著一定的信息儲存能力和數(shù)據(jù)運算能力，這樣，就能對環(huán)境物理性質的變化進行較為復雜的監(jiān)測。即使礦井的結構被破壞，網(wǎng)絡依然能夠通過自我修復將信息及時傳遞出來。

（4）如果將傳感器節(jié)點放置在礦工的身上或者是機械上，就可以對采掘面進行監(jiān)測，收集到相關信息，從而避免了監(jiān)測盲區(qū)的出現(xiàn)，進而使得監(jiān)測系統(tǒng)的信息全面性有保障。

2 無線傳感器網(wǎng)絡在瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的應用狀況

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡的功能

無線傳感器網(wǎng)絡應用于煤礦的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，主要發(fā)揮以下兩種功能：意識實時監(jiān)測礦井種的瓦斯氣體濃度；二是在煤礦開采過程中對開采面瓦斯突然冒出問題進行解決。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點分類

根據(jù)以上兩種功能，無線傳感器網(wǎng)絡中應該有兩種基本的節(jié)點，一類是固定節(jié)點。這類節(jié)點分布在礦井內的固定位置，用于礦井內瓦斯氣體濃度的檢測。這類節(jié)點能夠及時將瓦斯氣體的濃度數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。如果瓦斯?jié)舛冗^高，就會有警報信號發(fā)出。在設計這類節(jié)點時，沒有特別的重量和體積要求，但是要求數(shù)據(jù)采集的范圍比較廣。另一類是移動節(jié)點。這類節(jié)點被安放在礦工身上，從而對開采環(huán)境的瓦斯?jié)舛冗M行實時的監(jiān)測，預防采掘面出現(xiàn)瓦斯突然冒出的危險。這類節(jié)點要求要設計得重量輕、體積小，不增加佩戴者的負重感。移動節(jié)點的監(jiān)測范圍可以比較小。

2.3 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的協(xié)作

每一個傳感器節(jié)點都兼有傳統(tǒng)的終端功能和路由器的功能。除了對本地信息和數(shù)據(jù)進行收集和處理外，每一個節(jié)點還擔負著為其他節(jié)點儲存、管理、融合、轉發(fā)數(shù)據(jù)的功能。除此之外，每一個節(jié)點都與其他節(jié)點相互協(xié)作，完成特定的任務。

2.4 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的工作流程

瓦斯監(jiān)測模塊對采集所得數(shù)據(jù)進行A/V轉換，生成數(shù)字信號；對數(shù)字信號進行量化編碼后輸送到處理器模塊；處理器模塊對數(shù)字信號做出相應的處理，然后按照一定的協(xié)議和規(guī)則對其進行轉換，整理成待發(fā)的幀數(shù)據(jù)；待發(fā)的幀數(shù)據(jù)被住送到無線通信模塊，然后通過無線通信模塊對外發(fā)射。

2.5 無線傳感器網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的構建方法

（1）在巷道中，每隔幾十米安放一個固定節(jié)點，在每一個礦工的身上佩戴一個移動節(jié)點。這樣，礦工身上的節(jié)點和巷道中的節(jié)點就組成了一個無線傳感器網(wǎng)絡。

（2）在礦井入口處設置一個具備網(wǎng)關功能的傳感器節(jié)點作Sink節(jié)點，Sink節(jié)點可以具備功能信號增強，從而保證內存和計算資源得到足夠的能量供應；也可以是有無線通信接口但是沒有監(jiān)測功能的特殊網(wǎng)關。Sink節(jié)點能夠在無線傳感器網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的協(xié)議轉換。同時，能夠發(fā)布檢測任務，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)布到外部網(wǎng)絡上，最后將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心。

3 煤礦企業(yè)建設無線傳感器網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的方案

Sink節(jié)點的放置位置在井口，這樣及兼顧了瓦斯泄露突發(fā)的多發(fā)區(qū)域，有不會放過相對安全的區(qū)域。這種設置方式對于一些新開的礦井和原本就在瓦斯監(jiān)測方面投資很少的小規(guī)模企業(yè)來說，效果很好，但是對于一些剛剛在瓦斯監(jiān)測方面投入了打量資金的企業(yè)，如果要毀掉原有的設施，以這樣的標準對系統(tǒng)進行重建，則不僅造成人力、物力、財力的巨大浪費，而且會因此引發(fā)員工的不滿。所以，應該根據(jù)企業(yè)的實際情況進行適宜的系統(tǒng)建設。

（1）新開的煤礦，沒有安裝有線檢測設備的煤礦或者是雖然安裝了設備但設備老化現(xiàn)象嚴重、無法起到監(jiān)測功能的煤礦都可以直接采用在井口放置Sink節(jié)點，再井內和礦工身上分別設置固定節(jié)點和移動節(jié)點的方式來進行網(wǎng)絡建設。

（2）如果煤礦的開采時間已經比較長或者是礦井內的巷道有較多的曲折路段，可以在巷道的轉折處設置幾個功能較強的轉發(fā)節(jié)點，在每一段通道的中間放置一個或者少量的幾個功能較強的節(jié)點。如果礦井內的巷道較多，則可以適當在每個巷道中安放幾個功能較強的管理節(jié)點。這些管理節(jié)點的功能相當于簇頭節(jié)點，能夠對所轄區(qū)域內的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進行收集、匯聚、融合、存儲和轉發(fā)。

（3）如果煤礦企業(yè)已經將大量的資金投入到了有線監(jiān)測設備上，在組建監(jiān)測系統(tǒng)時，可以將Sink節(jié)點放置在主干道與分支巷道的交匯處，并在巷道中安置無線傳感節(jié)點。先組建起有線與無線混合的監(jiān)測系統(tǒng)，在挖掘新巷道和廢氣舊巷道的過程中，適當增減和移動傳感器節(jié)點以適應檢測系統(tǒng)的實際需求。在時機成熟后，將整個系統(tǒng)改裝成一個無線傳感網(wǎng)絡。

4 總結

在煤礦的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網(wǎng)絡，能有效提高監(jiān)測的實時性和靈活性，從而為瓦斯災害的預警提供了及時的信息和技術保證?？梢灶A見無線傳感器網(wǎng)絡在瓦斯監(jiān)測中的應用前景是非常廣闊的。

參考文獻：

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