基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】煤礦井內(nèi)的安全在很大程度上都受到瓦斯這樣的可燃?xì)怏w的威脅。所以非常有必要為礦井設(shè)計(jì)一個(gè)安全預(yù)警系統(tǒng)，來保障井下工作人員的人身安全。

【關(guān)鍵詞】無線;傳感器;預(yù)警;安全

我國(guó)有近二十萬的煤礦，遍布了十幾個(gè)省市。這些煤礦每年都生產(chǎn)出數(shù)億噸的煤炭，為我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)總值做出了很大的貢獻(xiàn)。但是，最近十幾年來，有很多的煤礦發(fā)生了瓦斯爆炸的事故，這些事故的發(fā)生，不但對(duì)于煤礦本身造成了很大的破壞，導(dǎo)致煤礦不得不停產(chǎn)，更可怕的是這些瓦斯爆炸事故會(huì)隨時(shí)威脅到煤礦井下工作人員的安全和生命。所以對(duì)于煤炭生產(chǎn)過程中要設(shè)置相應(yīng)的安全預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)生相應(yīng)的安全隱患，就通過安全預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。本文闡述了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤礦的井下安全進(jìn)行監(jiān)控。希望既能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，又能降低開發(fā)成本，便于日后的升級(jí)和維護(hù)。

1.傳統(tǒng)煤礦安全預(yù)警系統(tǒng)的缺陷

在煤礦的日常生產(chǎn)中，安全預(yù)警系統(tǒng)是必不可缺的，它起到了保障煤礦安全生產(chǎn)的作用。在煤礦安全預(yù)警系統(tǒng)中應(yīng)用了很多不同類型的措施。但是這些傳統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)相對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的安全預(yù)警系統(tǒng)存在一些明顯的缺陷，主要有如下幾點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)中往往需要設(shè)置很多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這樣就需要設(shè)置數(shù)目龐大的地址，這對(duì)于設(shè)計(jì)者來講，工作量是巨大的;

（2）傳統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)元器件種類繁多，電纜數(shù)目多，這樣安全預(yù)警系統(tǒng)的維護(hù)量也很繁重;

（3）傳統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)使用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬來進(jìn)行安全信息的傳輸，這樣就會(huì)造成通信帶寬的嚴(yán)重浪費(fèi);

（4）傳統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)一般都采用單一的模式，這樣就無法滿足煤礦多種節(jié)點(diǎn)存在的不同模式的需求;

（5）傳統(tǒng)的安全預(yù)警系統(tǒng)一般都需要主機(jī)來參與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仲裁和協(xié)調(diào)。

2.煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文首先對(duì)煤礦安全預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過圖1，可以看出安全預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由傳感器、Web服務(wù)器和控制器三部分組成。其中總體結(jié)構(gòu)的核心是Web服務(wù)器。系統(tǒng)的瀏覽器需要和Web服務(wù)器進(jìn)行通信，通信遵照的是TCP/IP協(xié)議。Web服務(wù)器還需要和控制器之間進(jìn)行通信，對(duì)煤礦的安全情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并進(jìn)行預(yù)警。他們之間的通信是由傳感器來負(fù)責(zé)完成的。這樣就通過這些設(shè)備和相關(guān)的軟件協(xié)議形成了一個(gè)完整的安全預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

傳感器在總體結(jié)構(gòu)中的作用也非常重要，它主要負(fù)責(zé)對(duì)煤礦的安全境況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后將監(jiān)測(cè)的結(jié)果傳回給Web服務(wù)器，并最終由Web服務(wù)器通過TCP/IP 協(xié)議將結(jié)果傳遞到瀏覽器，展現(xiàn)給最終的終端用戶。控制器的作用是通過Web服務(wù)器發(fā)送的對(duì)煤礦內(nèi)的安全情況來啟動(dòng)相應(yīng)的安全措施。

下面分析一下，煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)如何形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中有若干個(gè)Web服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，Web服務(wù)器都有自己的IP地址，它通過光纖連入網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)就可以憑借多個(gè)Web服務(wù)器的IP地址對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪問，進(jìn)而監(jiān)控該服務(wù)器下的煤礦井下安全情況。

這樣形成的只是局域網(wǎng)，如果要通過Internet對(duì)Web服務(wù)器進(jìn)行訪問，還需要通過ADSL專線等方式來接入互聯(lián)網(wǎng)。這樣就能實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)對(duì)煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行訪問，但是這樣做的成本較高。一個(gè)較好的解決方案是通過網(wǎng)關(guān)來連接局域網(wǎng)外部。這樣，就能實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和Internet的隔離，提供系統(tǒng)的安全性，又能降低成本。同時(shí)，這樣做的好處是，無論用戶是在什么物理位置，都可以通過瀏覽器，通過特別的身份驗(yàn)證，來訪問煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)的信息，而不需要再通過建立專線的方式。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠井下安全預(yù)警系統(tǒng)的主要硬件部件是：無線傳感器、CPU、據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源組成。下面就對(duì)每個(gè)主要硬件模塊的設(shè)計(jì)原理。

3.1 無線傳感器

在選擇無線傳感器上要考慮無線傳感器的價(jià)格、提議和能耗等很多方面的問題。通過綜合分析，本文選擇使用KGS-20這種型號(hào)的無線傳感器，該無線傳感器屬于低功耗的。該無線傳感器的基本材料是二氧化錫，是半導(dǎo)體型氣體傳感器的類型。該傳感器的作用是用來檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度的檢測(cè)，用在煤礦內(nèi)進(jìn)行安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常合適的。另外，該無線傳感器的使用較為簡(jiǎn)單，而且體積小，對(duì)可燃?xì)怏w的濃度變化響應(yīng)時(shí)間非?？欤怀^20s，復(fù)位時(shí)間小于等于30s，該無線傳感器對(duì)于工作溫度和濕度要求都不高，非常適合井下的環(huán)境。該無線傳感器是低功耗的，靜態(tài)功耗為150mW，產(chǎn)生預(yù)警報(bào)警時(shí)的功耗也僅為300mW。該無線傳感器是用的直流電源的方式供電，需要設(shè)定的電壓范圍在3～5V之間。

3.2 數(shù)據(jù)通信模塊

在安全預(yù)警系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信模塊是起到了連接和通信的作用。主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的主要節(jié)點(diǎn)的通信、控制信號(hào)交換和數(shù)據(jù)信息傳輸。因?yàn)橄到y(tǒng)使用的主要是無線通信，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信模塊時(shí)最主要的就是要如何降低系統(tǒng)的能量耗損。所以在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信模塊時(shí)，需要考慮的是選擇的數(shù)據(jù)通信芯片的發(fā)射功率、數(shù)據(jù)率、調(diào)制模式等問題。通過綜合考慮，本文選擇了NORDIC 公司的nRF2401芯片作為煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)的主要的數(shù)據(jù)通信的節(jié)點(diǎn)芯片。

nRF2401的成本較低，它屬于射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。它的功耗小、外圍元件少、體積小。nRF2401的工作頻段是2.4～2.5GHz的，符合通信協(xié)議ZigBee的要求。nRF2401有較強(qiáng)的抗干擾能力，如果需要在通信模塊使用跳頻技術(shù)，nRF2401可以通過降低發(fā)射功率的方式來減少能耗。nRF2401還能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的打包、調(diào)制和編碼，能偶實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信號(hào)的處理。nRF2401芯片的數(shù)據(jù)通信方式就是通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RF 信號(hào)，然后通過I/O匹配電路將轉(zhuǎn)換完成的RF信號(hào)送入天線，這樣就完成了數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)的核心模塊，該系統(tǒng)幾乎所有的工作都需要數(shù)據(jù)處理模塊的支持，例如：任務(wù)調(diào)度、信息控制、通信、數(shù)據(jù)傳輸和共享等。所以，首先要為數(shù)據(jù)處理模塊選擇一個(gè)合適的處理器，在本文中，本文選擇使用了AT-mega128L作為數(shù)據(jù)處理模塊的處理器。ATmega128L的處理器的主要部件是32個(gè)通用工作寄存器、128K 字節(jié)的可編程Flash、4K字節(jié)的EEPROM、53個(gè)通用I/O口線、4K字節(jié)的 SRAM、8通道10位ADC、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、SPI串行端口、2個(gè)USART、可編程看門狗定時(shí)器、JTAG 測(cè)試接口。在數(shù)據(jù)處理模塊中有一個(gè)核心裝置就是數(shù)據(jù)處理模塊的控制芯片，該芯片的主要作用就是負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊的各個(gè)部件的協(xié)調(diào)工作。該控制芯片還能通過I/O接口來獲取當(dāng)前的傳感器輸出的電壓值來感知礦井周圍的瓦斯?jié)舛?，如果濃度超?biāo)，就通過無線傳感器傳輸?shù)慕K端進(jìn)行報(bào)警。

3.4 電源模塊

煤礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)若想正常的工作，就必須有電源的支持，所以電源對(duì)于系統(tǒng)來講非常重要，是系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備能正常工作的最基本保障。因此，電源模塊的設(shè)計(jì)是非常重要的。因?yàn)槲覀冊(cè)谙到y(tǒng)中使用的無線傳感器是低功耗的，所以如果無線傳感器是出于空閑狀態(tài)，就可以直接利用未處理的I/O直接驅(qū)動(dòng)，這時(shí)就不需要額外的電源在支持了，進(jìn)一步降低了能量的耗損。

但是，在無線傳感器處于工作狀態(tài)時(shí)，就必須使用外接電源了。電源的選擇一定要慎重，因?yàn)殡娫吹膲勖苯記Q定了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命。所以，對(duì)于整個(gè)硬件系統(tǒng)來講，電源是最為珍貴的資源，選擇良好的電源模塊對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言至關(guān)重要。因?yàn)楸疚倪x擇的無線傳感器的體積較小，所以電源模塊也相應(yīng)的選擇了微型電池。本文選擇是的CR2032 紐扣電池，該型號(hào)的紐扣電池的工作輸出電壓為2～3V，它能提供大約200mAh的電流量。CR2032的放電是較為平穩(wěn)的，所以它的使用壽命較長(zhǎng)，比較適合使用在我們本文設(shè)計(jì)的安全預(yù)警系統(tǒng)中。

4.系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)

礦井安全預(yù)警系統(tǒng)想要正常工作，只有硬件是不行的，還需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)才行。本文就對(duì)每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

4.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的主要作用就是對(duì)礦井下的安全情況進(jìn)行檢測(cè)，主要是礦井內(nèi)的可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)行檢測(cè)。需要將采集到的可燃?xì)怏w的信息情況通過數(shù)據(jù)通信模塊上傳到監(jiān)控中心，所以無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式主要有：睡眠模式、工作模式和喚醒模式。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作程序流程如圖2所示。

圖2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件工作流程

從圖2可以看出，傳感器節(jié)點(diǎn)開始工作后，先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，然后傳感器節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入低功耗的睡眠模式，也就是說現(xiàn)在的微處理器是出于空閑狀態(tài)的。但是系統(tǒng)的SPI端口和終端系統(tǒng)卻不會(huì)空閑，它們隨時(shí)會(huì)接收系統(tǒng)發(fā)送的中斷請(qǐng)求。數(shù)據(jù)的采集時(shí)間是一定的，如果時(shí)間到了就將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送，這時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入了工作模式。將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送后，無線傳感器節(jié)點(diǎn)就重新回到低功耗的睡眠模式。無線傳感器節(jié)點(diǎn)就在該工作流程下進(jìn)行循環(huán)反復(fù)，來保障礦井下的安全。

4.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

除了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程設(shè)計(jì)外，系統(tǒng)最主要的軟件設(shè)計(jì)就是監(jiān)控部分的軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)控部分的軟件設(shè)計(jì)主要是通過Visual Studio C++下的MFC框架來進(jìn)行設(shè)計(jì)并開發(fā)完成的。監(jiān)控系統(tǒng)的主要責(zé)任是對(duì)井下無線傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和保存。如果井下可燃?xì)怏w的濃度超過了設(shè)定的濃度，監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警信息，并相應(yīng)的采取有效的措施降低礦井內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度。

5.小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井下安全預(yù)警系統(tǒng)。主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總的架構(gòu)的設(shè)計(jì)、主要硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和主要軟件的設(shè)計(jì)。通過本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的可燃?xì)怏w的檢測(cè)，如果其濃度超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)就會(huì)向監(jiān)控中心發(fā)送預(yù)警信號(hào)。系統(tǒng)如果能在礦井實(shí)施，將會(huì)對(duì)礦井的安全起到較強(qiáng)的保障作用。

參考文獻(xiàn)

[1]W Elmenreich.An introduction to data fusion[R].Research Report，2000.

[2]劉同明，夏祖勛，解洪成.數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[3]黎明，張化光.基于粗糙集的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法研究[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，28（1）：27-33.

[4]克萊因（Lawrence A.Klein）（美）著.多傳感器數(shù)據(jù)融合理論及應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[5]王建海，方振和，李英.多傳感器數(shù)據(jù)融合淺析[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997，3（4）：454-461.

[6]李興山，王曉超.煤礦安全預(yù)警信息化建設(shè)與實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù)，2013（06）：128-129.

作者簡(jiǎn)介：馬麗潔（1976—），女，內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：高等職業(yè)教育、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。