物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與煤礦安全監(jiān)測信息平臺的融合

洪 飛

(長治市煤炭安全信息調(diào)度中心，山西 長治 046000)

0 引言

1999年，物聯(lián)網(wǎng)首次由麻省理工學(xué)院的研究團隊被提出。物聯(lián)網(wǎng)的核心理念是通過獨特的方式，將射頻識別(RFID)標簽、傳感器、執(zhí)行器、手機等各種各樣的東西或物體相互作用、溝通，以實現(xiàn)共同的目標[1]?；贗P的無線技術(shù)已經(jīng)給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)帶來了長足的進步，這是一個多學(xué)科的前沿研究課題，包括數(shù)據(jù)傳感和處理[2-4]。傳感器網(wǎng)絡(luò)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，許多系統(tǒng)設(shè)計，如節(jié)能、智能傳感器網(wǎng)絡(luò)目標跟蹤，家庭自動化等等[5-7]。煤炭是重要的化石能源，與人們的日常生活息息相關(guān)，也為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供主要能源[8-9]。為了礦工的安全，每個煤礦都要求安裝監(jiān)測系統(tǒng)。現(xiàn)場使用的有多種礦山安全監(jiān)測系統(tǒng)[10]，但是，這些系統(tǒng)沒有深入融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能服務(wù)[11-12]。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國因礦難死亡人數(shù)近2 500人，為了提高礦井安全水平，適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境，需要根據(jù)供電的難易程度來設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)[13]。文中介紹了一種智能煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，由健全的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和高效的服務(wù)組成。

1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)總體框架如圖1所示。該系統(tǒng)由地面服務(wù)器系統(tǒng)和地下傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。地下傳感器網(wǎng)絡(luò)由分支傳感器網(wǎng)絡(luò)和WSN組成，負責(zé)對各種數(shù)據(jù)的傳感。地面服務(wù)器系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)分析和智能服務(wù)。利用控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)總線的虛擬傳輸穩(wěn)定、易于部署的特點，構(gòu)建了地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的分支傳感器網(wǎng)絡(luò)。CAN總線是一種用于電子設(shè)備的多主廣播串行總線標準。它有許多優(yōu)點。例如低布線復(fù)雜性，容易添加或刪除現(xiàn)有的CAN總線。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

WSN基于ZigBee技術(shù)，采用多種傳感方式構(gòu)建。ZigBee技術(shù)是一套使用小型、低級別通信協(xié)議的高級通信協(xié)議規(guī)范數(shù)字接收器。具有數(shù)據(jù)速率低、電池壽命長、網(wǎng)絡(luò)安全等特點。集成了無線網(wǎng)絡(luò)自治協(xié)議和最優(yōu)傳輸路徑選擇協(xié)議。ZigBee技術(shù)具有很強的抗噪聲能力，縮短了無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)時間。在loT層框架的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)分為4層。它們分別是應(yīng)用層、服務(wù)器層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。①各種系統(tǒng)服務(wù)。如安全監(jiān)視器和礦機定位，都提供在應(yīng)用菜單中；②服務(wù)器層包含服務(wù)器平臺和數(shù)據(jù)服務(wù)器。服務(wù)器平臺用于響應(yīng)礦山管理者的請求，數(shù)據(jù)服務(wù)器的傳感節(jié)點由數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)分析模塊組成；③利用ZigBee技術(shù)和CAN總線構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)。加入3G/GPRS技術(shù)，將建議的系統(tǒng)連接至互聯(lián)網(wǎng)；④將各個感知節(jié)點部署在整個煤礦中，獲取感知層中關(guān)于煤礦的實時數(shù)據(jù)。

2 地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

煤礦是一個環(huán)境復(fù)雜的地方，它由礦井和采場兩部分組成。本部分旨在建立和維護一個由分支網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.1 地下傳感器網(wǎng)絡(luò)

分支網(wǎng)絡(luò)包括中心節(jié)點和檢測節(jié)點。一個CAN總線通過集線器節(jié)點分散成多個CAN總線，以覆蓋每個主干。每個節(jié)點都可以與分支網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點自由通信。分支檢測節(jié)點設(shè)計如圖2所示。

圖2 分支網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計示意

支路檢測節(jié)點由8051MCU、報警模塊、傳感器模塊和電源管理模塊組成。8051單片機。節(jié)點的核心負責(zé)對感知數(shù)據(jù)的分析和對節(jié)點的操作。傳感程序完成后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C。當(dāng)數(shù)據(jù)超過安全基線時，單片機立即向報警模塊發(fā)送報警信號。同時將報警信號和傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器。否則，數(shù)據(jù)只存儲在RAM中。為了提高服務(wù)器的實時性，降低CAN總線的壓力，將所有的傳感數(shù)據(jù)一次發(fā)送給服務(wù)器，經(jīng)過幾個傳感周期。在傳感方案中，位移傳感器用于探測礦井主干的直徑，以防止礦井主干的塌陷。通過粉塵濃度傳感器、氣體濃度傳感器和溫度傳感器的配合檢測，可以防止爆炸。電源管理模塊通過交直流隔離開關(guān)為所有模塊提供電源。就像筆記本電腦的電源管理一樣，當(dāng)AC電源無效時，選擇DC電源立即為所有模塊供電。一個1 000 mA的電池可以讓整個節(jié)點運行超過5 h，所有節(jié)點的總功率低于600 mW和3 V電壓。這對于突發(fā)情況交流電源的恢復(fù)來說，完全足夠。為了與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行通信，對分支感知網(wǎng)絡(luò)中的葉節(jié)點進行了一些修改。由于CC2430中包含了MCU，所以它可以作為MCU和無線通信模塊使用。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由采用ZigBee技術(shù)配置的各種移動檢測節(jié)點組成，可在礦井內(nèi)任意布置。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中定義了兩種類型的設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和簡化功能設(shè)備(RFD)。FFD可以作為無線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)路由器，甚至是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)，在無線網(wǎng)絡(luò)上進行建設(shè)和管理。FFD節(jié)點可以同時與RFD節(jié)點和FFD節(jié)點通信。然而，RFD節(jié)點只能與FFD節(jié)點通信在MAC層中，每個無線節(jié)點都有一個唯一的MAC地址。然而，為了減少數(shù)據(jù)包的長度，ZigBee技術(shù)分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址。

3 地面服務(wù)器系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

地面服務(wù)器系統(tǒng)是基于服務(wù)平臺和數(shù)據(jù)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理和服務(wù)提供的系統(tǒng)。如圖3所示，服務(wù)器平臺設(shè)計了多項服務(wù)模塊。將來可以很容易地向服務(wù)器平臺添加更多的服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)器對感測節(jié)點獲取的感測數(shù)據(jù)進行分析和存儲。

圖3 地面服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計

3.2 服務(wù)器平臺提供的服務(wù)模塊

安全監(jiān)控：對煤礦進行安全監(jiān)控，實現(xiàn)對煤礦開采過程的智能監(jiān)控。該系統(tǒng)為煤礦管理者提供了具有煤礦二維地理視圖的感測節(jié)點分布。如果不幸發(fā)生瓦斯泄露事故，所有節(jié)點都將變成報警模型，從而提示礦工和相關(guān)人員緊急撤離，并且本系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢是利用系統(tǒng)服務(wù)可以檢測到事故的位置，這一功能還可以和應(yīng)急預(yù)案進行串聯(lián)，達到“報警-應(yīng)急”雙重監(jiān)控。

礦工定位：每個節(jié)點在無線網(wǎng)絡(luò)中保持一個唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址，每個路由器節(jié)點持有一個路由表。因此，本系統(tǒng)可以通過查詢路由表來獲得每個路由器節(jié)點所管理的子節(jié)點。因此，可以獲得礦工的大致位置?；诘V工定位服務(wù)，礦長可以實時查看煤礦的狀態(tài)，并以此制定更合適的救援方案來解救礦工。

設(shè)備控制：在該模塊中，礦長可以實時查看探測節(jié)點的狀態(tài)，如功率狀態(tài)、靈敏度狀態(tài)等。如果新到的節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，或者已有的節(jié)點由于電源不足或硬件故障需要更換，可以進行相應(yīng)的設(shè)置，增強系統(tǒng)的魯棒性。

檢查記錄：記錄檢查模塊有3個優(yōu)點。首先，礦山管理者可以根據(jù)感應(yīng)記錄對礦山安全狀態(tài)進行分析；其次，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)檢測安全基線；最后，事故記錄有助于礦長制定更好的事故應(yīng)急救援方案。

移動連接：建議系統(tǒng)可以連接互聯(lián)網(wǎng)與3G/GPRS技術(shù)，以享受更多的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。為了更好地組織救援行動，盡可能地減少損失，礦難發(fā)生后，要向與礦難有關(guān)的人員發(fā)出報警信息。

系統(tǒng)集：系統(tǒng)集模塊是本系統(tǒng)的重要組成部分。其原因是基于該模塊的煤炭管理器可以實現(xiàn)更合適的系統(tǒng)。該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和高效結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對海量的傳感數(shù)據(jù)進行了先進的組織和管理。通過分布式數(shù)據(jù)共享和分布式快速索引數(shù)據(jù)，可以過濾出好的數(shù)據(jù)，進行信息融合和數(shù)據(jù)挖掘。在未來運行中，生產(chǎn)作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)也可以上傳至本系統(tǒng)，一方面，安全生產(chǎn)的數(shù)據(jù)可以作為系統(tǒng)評判的基礎(chǔ)，另一方面，系統(tǒng)積累足夠的安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)可有利于其更靈敏地判別事故發(fā)生情況，從而做到更高級的安全監(jiān)控。因此，在數(shù)據(jù)服務(wù)器中設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以有效地存儲和檢查傳感記錄。通過分布式數(shù)據(jù)共享技術(shù)，在整合眾多煤礦的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)遙感記錄的遠程傳輸和分析，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以對煤礦安全基線進行動態(tài)調(diào)整。

4 結(jié)論

智能煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測中的深度融合，該系統(tǒng)包含一個面向管理人員的智能服務(wù)器系統(tǒng)和一個具有穩(wěn)定性和高效性的集成傳感器網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)有望成為未來礦山實現(xiàn)智能化的重要部分，可以為相關(guān)業(yè)內(nèi)研究人員及工程人員提供借鑒和思路。