無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬磊

摘要：文章針對(duì)現(xiàn)有煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線數(shù)據(jù)傳輸，通信速率低、靈活性和可靠性較差。提出一種基于無線傳感器技術(shù)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對(duì)礦井的無線信道進(jìn)行建模，采用合適的無線通信調(diào)制、編碼技術(shù)，選擇合適的通信頻率，優(yōu)化無線系統(tǒng)的參數(shù)配置，提高系統(tǒng)的通信速率，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，為進(jìn)一步功能模塊的追加提供堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)基礎(chǔ)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度差、功耗大的缺點(diǎn)、保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

井工煤礦采煤和掘進(jìn)過程中，需要對(duì)巷道或煤層進(jìn)行探測(cè)，由于未知巷道和煤層無法預(yù)測(cè)，采空區(qū)巷道隨時(shí)可能塌陷，而且有可能繼續(xù)掘進(jìn)巷道，對(duì)于現(xiàn)有的煤礦工業(yè)總線而言，其擴(kuò)展性、靈活性和延續(xù)性存在諸多缺陷和不足，會(huì)造成原材料的浪費(fèi)，造成生產(chǎn)成本增加；同時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控電纜鋪設(shè)數(shù)量大速度慢，容易在建設(shè)初期形成安全監(jiān)測(cè)上的盲點(diǎn)和隱患。另外由于采掘工作面處在不斷移動(dòng)的狀態(tài)，有線傳輸?shù)姆绞捷^難適應(yīng)這種不斷移動(dòng)和推進(jìn)的工作環(huán)境，各種因素造成監(jiān)測(cè)傳輸纜線損壞和扯斷的情況時(shí)有發(fā)生。有線傳感器在煤礦井下多變惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中，容易被破壞和損毀，比如一塊矸石就會(huì)把工作面的傳感器損壞。而無線傳感器則能夠避免井下傳感器測(cè)點(diǎn)損壞和失靈的問題。此外，煤礦工作面采空區(qū)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)不可能通過有線進(jìn)行傳輸。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的下一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念一經(jīng)提出就在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到積極的響應(yīng)。最早的代表性論述出現(xiàn)在1999年，題為“傳感器走向無線時(shí)代”。隨后在美國的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國際會(huì)議上，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)面臨的發(fā)展機(jī)遇。美國《技術(shù)評(píng)論》雜志論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)。美國《商業(yè)周刊》未來技術(shù)專版，論述4大新技術(shù)時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列人其中。顯然，國外對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的期望是很高的。事實(shí)上，WSN在軍事，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)，智能交通等領(lǐng)域都取得了相當(dāng)?shù)某删汀?/p>

德國的采礦工人在井下作業(yè)時(shí)，會(huì)攜帶“氣體檢測(cè)報(bào)警儀”，一旦有害氣體超限或氧氣低于下限，儀器就會(huì)自動(dòng)報(bào)警并給監(jiān)測(cè)中心回傳信息。國內(nèi)的各別研究將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控和井下救災(zāi)。通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)礦工進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)與各種災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，達(dá)到及時(shí)救災(zāi)的目的。

本文針對(duì)煤礦現(xiàn)有監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的不足和缺點(diǎn)，并結(jié)合煤礦井下實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境條件的要求，提出了基于無線傳感器技術(shù)的無線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

根據(jù)礦井現(xiàn)有生產(chǎn)裝備條件和安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的Zigbee技術(shù)為通信平臺(tái)作為切入點(diǎn)，以無線傳感器終端為細(xì)胞組成整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要用于煤礦井下氣體和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的安全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，以信息融合和節(jié)點(diǎn)協(xié)作技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的整合與處理，以無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)各區(qū)域的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以信息糾錯(cuò)技術(shù)與信號(hào)檢測(cè)技術(shù)保證信息的可靠傳輸與可靠接收，以先進(jìn)的信息處理與顯示技術(shù)對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)與監(jiān)控。

該系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)絡(luò)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心構(gòu)成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)礦井氣體環(huán)境及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，采用IEEE802.15.4（zigBee）協(xié)議，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)的方式，經(jīng)過無線、自組織、多跳的方式發(fā)送，最終采集到監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分站。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)完成煤礦井下的安全參數(shù)監(jiān)測(cè)，這些監(jiān)測(cè)指標(biāo)有礦井的瓦斯?jié)舛?、溫度、氧氣濃度等?shù)據(jù)；運(yùn)行中先由監(jiān)控主機(jī)發(fā)送查詢的請(qǐng)求命令，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鞅O(jiān)測(cè)分站上。分站根據(jù)請(qǐng)求命令的具體要求，選擇所要查詢的傳感器節(jié)點(diǎn)。和分站連接的無線傳感器節(jié)點(diǎn)及時(shí)采集檢測(cè)的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給所屬分站，再由分站將信息傳送到無線傳輸網(wǎng)，再傳輸給監(jiān)測(cè)控制中心。控制中心完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理、分析、儲(chǔ)存及顯示。

2.無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感器終端主要功能是對(duì)傳感器終端安裝的巷道、工作面和采區(qū)氣體和設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過無線傳輸方式，將采集到的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)監(jiān)控分站。根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境和條件，該系統(tǒng)無線傳感器終端根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)發(fā)送周期，定時(shí)的將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集終端。無線傳感器終端主要由4部分構(gòu)成：（1）數(shù)據(jù)采集模塊；（2）數(shù)據(jù)處理與控制模塊；（3）無線通信模塊；（4）供電模塊。其硬件設(shè)計(jì)框如圖2所示。

2.1微處理器選擇

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)低成本、微型化、功耗較小和組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，系統(tǒng)微型處理器根據(jù)低耗能和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力需要采用意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的sTM32系列微控制器。該處理器耗能較低同時(shí)具備開啟省電模式的功能，能夠提高監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備的性能，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到良好的作用，因此適合應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)合。

2.2電源模塊選擇

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般布置在無人值守或是生產(chǎn)環(huán)境較差的巷道和采區(qū)中，而且需要根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)進(jìn)行移動(dòng)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要采用電池供電，電源在微處理器和無線數(shù)據(jù)模塊等設(shè)備的選型中，盡量采用功耗較小、設(shè)備都是本質(zhì)安全型，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到了良好的作用。

3.結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的所取得的成績有目共睹。其在工業(yè)檢測(cè)控制領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景。除了提高信息傳輸速率和增強(qiáng)可靠性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也從硬件上節(jié)約了成本。例如隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，環(huán)保的要求也越來越嚴(yán)格，因此檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量也不斷增加。雖然國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)了礦井無線信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但技術(shù)并不成熟，因此井下無線煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的研究有著較大的發(fā)展空間。