基于礦區(qū)安全性考量的M2M技術礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測平臺設計

程紅英

摘?要：采礦是一項風險活動，當涉及到地下礦井時，風險因素更是呈指數(shù)增長。本文闡述了無線傳感器網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)M2M 技術和云服務器在優(yōu)化采礦業(yè)安全性方面的作用。在這項工作中，介紹了一種基于M2M 技術的礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測平臺的設計方案，一個由傳感器網(wǎng)絡組成的監(jiān)控系統(tǒng)，可以在工業(yè)環(huán)境中使用物聯(lián)網(wǎng)M2M 技術概念將數(shù)據(jù)發(fā)送到云，并從任何地方遠程訪問數(shù)據(jù)，以分析數(shù)據(jù)并生成警告信號，提前避免災難的發(fā)生。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);M2M技術;安全性;礦區(qū)環(huán)境;監(jiān)測

1 緒論

在工業(yè)中，危害主要分為六類：1）生物危害，2）安全隱患，3）工作組織危害，4）物理危害，5）人體工程學危害，6）化學危害。擺脫這些危害，特別是針對避免工業(yè)中的安全和化學危害被視為工業(yè)生產(chǎn)非常關鍵的因素，因為這些危害發(fā)生在可能對工作人員和機器造成損失或損壞的情況。這些類型的危害在礦山工業(yè)中更為重要，因為主要關注的是在危險條件下工作的人員。特別是在這些行業(yè)中發(fā)生的動態(tài)危害范圍越來越大，特別是采礦業(yè)的工人面臨惡劣的環(huán)境。從19世紀到21世紀，據(jù)某媒體報道，發(fā)生了大約50起礦難事故，近8382人死于這些煤礦事故。此外，當涉及到地下礦井時，風險因素也會增加。這些事故發(fā)生在礦山，主要是因為屋頂塌陷，二氧化碳蓄積，地下水涌水，甲烷和冷塵爆炸等。因此，開發(fā)一個預警系統(tǒng)，可以提供準確的預測和檢測，避免災害發(fā)生。物聯(lián)網(wǎng)技術，預測算法和人工智能等先進技術為尋找能夠保證危險行業(yè)安全工作條件供了更大的支持。主要是，物聯(lián)網(wǎng)技術改變了行業(yè)，在生產(chǎn)和安全方面提供了更準確和更好的優(yōu)化。

2 M2M技術在礦山環(huán)境監(jiān)測的應用現(xiàn)狀與背景

物聯(lián)網(wǎng)的核心技術是機器之間的互聯(lián)互通，即M2M（Machine To Machine）。在物聯(lián)網(wǎng)M2M 技術中，遠程訪問，機器對機器和云等功能對工業(yè)自動化來說并不陌生，這些連接的設備已經(jīng)存在。在物聯(lián)網(wǎng)中，除了數(shù)據(jù)之外，還存在革命性的問題。在物聯(lián)網(wǎng)中，事物之間的連接是路由連接，而在物聯(lián)網(wǎng)M2M 技術中，它是結構化連接。物聯(lián)網(wǎng)M2M 技術涉及網(wǎng)絡的更高準確性和清晰度，這導致了安全系統(tǒng)的標準提升。這些行業(yè)的主要焦點是建立一個可以提高工人安全的預警系統(tǒng)。從20世紀開始，傳感器網(wǎng)絡在警報系統(tǒng)中起主導作用，并為改善地下礦井的安全方案提供了更好的結果。傳感器節(jié)點保存在字段中以監(jiān)控環(huán)境條件。傳感器網(wǎng)絡根據(jù)現(xiàn)場區(qū)域和所選應用提供拓撲靈活性。本文提出了一種由傳感器網(wǎng)絡組成的監(jiān)控系統(tǒng)，可以在工業(yè)環(huán)境中使用，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，可以從任何地方遠程訪問以分析數(shù)據(jù)。將來，該系統(tǒng)可以與預測算法和執(zhí)行器集成，以預測可能發(fā)生的災難并生成警告信號，以警告在礦井中工作的人員，以避免任何災難性事件。

3 架構和系統(tǒng)概述

所提出的系統(tǒng)由一組傳感器節(jié)點組成，這些傳感器節(jié)點被放置在現(xiàn)場以感測環(huán)境條件。每個傳感器節(jié)點由特定傳感器組成，該傳感器將感測該場中的各種參數(shù)。整個傳感器節(jié)點的感測值將通過無線介質發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點。傳感層的網(wǎng)絡具有傳感器節(jié)點，網(wǎng)關使用無線介質以星形拓撲連接。網(wǎng)關收集傳感器節(jié)點感知的所有消息，并將該樣本發(fā)送到云?？梢员O(jiān)視存儲在云中的數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)M2M 技術下提出的這種安全系統(tǒng)/方案始終遵循結構化架構。該體系結構以更精細和標準的方式顯示系統(tǒng)概述。從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度來看，本文提出的系統(tǒng)遵循三層架構模式：邊緣層具有帶網(wǎng)關節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡作為邊緣節(jié)點，允許從邊緣到平臺層的數(shù)據(jù)流，這有助于從邊緣節(jié)點接收數(shù)據(jù)。企業(yè)層有助于最終用戶連接，并包括域的特定應用程序。傳感層的網(wǎng)絡具有傳感器節(jié)點，網(wǎng)關使用無線介質以星形拓撲連接。網(wǎng)關收集傳感器節(jié)點感知的所有消息，并將該樣本發(fā)送到云?？梢员O(jiān)視存儲在云中的數(shù)據(jù)。

4 具體實現(xiàn)

如系統(tǒng)概述中所述，邊緣層中的星形拓撲傳感器網(wǎng)絡具有三個傳感器節(jié)點，其具有MQ4，MQ7和FSR（強制電阻傳感器），其為各個單片機板提供輸入。每個節(jié)點都有一個傳感器和微控制器以及模塊通信調制解調器作為終端設備。網(wǎng)關節(jié)點具有NodeMCU和模塊調制解調器，并充當協(xié)調器。模塊調制解調器通過無線連接從傳感器節(jié)點到網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸使用IEEE 802.15.4協(xié)議。為了找出/區(qū)分網(wǎng)關節(jié)點處各個節(jié)點的各個數(shù)據(jù)，將附加字段與傳感器值組合，并且?guī)袷接伤膫€字段組成。

在網(wǎng)關節(jié)點處接收的消息幀將被轉發(fā)到云服務器。云服務器和網(wǎng)關之間的通信是無線的，并且使用輕量級IoT協(xié)議MQTT（消息隊列遙測傳輸）。MQTT優(yōu)于HTTP的優(yōu)點是：與5字節(jié)到12字節(jié)的消息幀大小相比，MQTT具有較低的標頭大小2字節(jié)，而HTTP具有更多標頭大小的開銷。MQTT提供三種類型的服務質量（QoSO：最多一次，QoS1：只有一次，Qos2：不定）。與CoAP等其他IoT協(xié)議相比，MQTT是基于TCP的協(xié)議。因此，CoAP是基于UDP的協(xié)議。AWSIOT服務收到的消息由Amazon Web Services（AWS）提供。WS是一種IaaS（基礎架構即服務）模型，提供硬件虛擬化和存儲設施，用戶可以在其上構建自己的基礎架構。接收到的數(shù)據(jù)可以在AWSIOT創(chuàng)建的對應物的陰影窗口中發(fā)布。已發(fā)布的數(shù)據(jù)可在監(jiān)控單元中查看。

5 結論

綜上所述，環(huán)境狀況在工農業(yè)生產(chǎn)、國民生活等領域的重要作用日益顯著，如何對其進行有效監(jiān)測是一項有意義的課題。隨著無線通信和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在本文中，介紹了使用物聯(lián)網(wǎng)概念的工業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的詳細信息。基于M2M 技術的礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測平臺是一個由傳感器網(wǎng)絡組成的監(jiān)控系統(tǒng)，可以在工業(yè)環(huán)境中使用物聯(lián)網(wǎng)M2M 技術概念將數(shù)據(jù)發(fā)送到云，并從任何地方遠程訪問數(shù)據(jù)，以分析數(shù)據(jù)并生成警告信號，提前避免災難的發(fā)生。

參考文獻：

[1]馬春光.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的煤礦安全生產(chǎn)管理研究[J].信息與電腦（理論版），2018（08）：153-154+157.

[2]黃偉.物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)及云計算技術在煤礦安全生產(chǎn)中的應用研究[J].電子世界，2017（18）：88.

項目支持：陜西省教育廳專項科學研究計劃（基于M2M技術的礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測平臺研究18JK0934）