物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

向玲玲　任國(guó)璽

摘要：針對(duì)現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)展性差，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)及移動(dòng)物體的監(jiān)控能力相對(duì)較弱的問題，提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)用于煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控平臺(tái)，該平臺(tái)主要由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)器和上位機(jī)可視化軟件系統(tǒng)構(gòu)成。通過礦井仿真平臺(tái)測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下環(huán)境參數(shù)測(cè)控及人員的精準(zhǔn)定位，能為煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能終端；ZigBee；人員定位

針對(duì)目前煤礦綜合自動(dòng)化煤礦存在的諸多問題，若把新型傳感器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID、分布式信息處理等技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)體系應(yīng)用到煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中，它具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可以克服現(xiàn)有系統(tǒng)存在的不足，為煤礦安全生產(chǎn)與預(yù)警救援提供新的思路和方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

煤礦物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型的結(jié)構(gòu)體系分為以下幾點(diǎn)。

1.1 感知層

主要完成井下信息的感知和采集。通過智能傳感器、RFID標(biāo)簽讀寫器、條形碼讀寫器、視頻攝像頭、本安型智能終端等設(shè)備，完成數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。

1.2 傳輸層

主要完成數(shù)據(jù)接入和網(wǎng)絡(luò)傳輸。其功能主要由傳感網(wǎng)來承擔(dān)。數(shù)據(jù)接入是將傳感網(wǎng)的末梢節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行組網(wǎng)控制和信息匯集，然后采用不同的通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)配合形成承載網(wǎng)絡(luò)，完成物聯(lián)網(wǎng)層與層之間的信息通信。

1.3 應(yīng)用層

即物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的匯聚、轉(zhuǎn)換、分析。本層由各種應(yīng)用服務(wù)器和上位機(jī)軟件組成，并實(shí)現(xiàn)對(duì)末梢節(jié)點(diǎn)的反向控制。

2 煤礦物聯(lián)網(wǎng)綜合信息管理平臺(tái)建立

綜合信息管理平臺(tái)是依托云計(jì)算機(jī)技術(shù)將煤礦各個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)整合為有機(jī)統(tǒng)一的綜合監(jiān)控平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)煤礦各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成、功能集成和互聯(lián)互動(dòng)，充分發(fā)揮各系統(tǒng)的綜合效應(yīng)，并通過對(duì)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的挖掘、優(yōu)化和延伸，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)；視頻監(jiān)控系統(tǒng)；定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)；壓風(fēng)自救系統(tǒng)；供水施救系統(tǒng)；產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；安全設(shè)施管理：開采區(qū)域管理；設(shè)備物流管理；應(yīng)急指揮；危險(xiǎn)品物流管理；報(bào)表系統(tǒng)等功能。

3 智能終端設(shè)計(jì)

將傳統(tǒng)的傳感器加入嵌入式微處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算和判讀形成新型智能物理網(wǎng)終端。該智能終端結(jié)選用ARM11內(nèi)核的$3C6410微處理器，選用RFM22作為射頻識(shí)別模塊。

3.1 微處理器S3C6410

S3C6410的CPU采用基于ARMll76JZF-S核設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成了強(qiáng)大的多媒體處理單元，主頻為667MHz；具有SDRAM內(nèi)存；以太網(wǎng)RJ45 100接口，通過CS8900網(wǎng)絡(luò)芯片連接以太網(wǎng)；同時(shí)具有現(xiàn)場(chǎng)總線功能。

3.2 射頻識(shí)別模塊RFM22

RFM22是一種低成本、高能量的ISM頻段射頻收發(fā)模塊，高靈敏度（-121dBm）以及高功率輸出（20dBm），頻率范圍：240-930MHz；最大輸出功率：20dBm；低功耗：185mA（接收）；85mA+20dBm（發(fā)射）。數(shù)據(jù)傳輸率：0123-256kbpsFSK；數(shù)字接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）定時(shí)喚醒功能；自動(dòng)頻率控制（AFC）；前同步信號(hào)檢測(cè)；64B收發(fā)數(shù)據(jù)寄存器；溫度感應(yīng)和8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee模塊CC2530

采用TI公司的CC2530組成無線傳感網(wǎng)，配合智能傳感器實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集后的無線通信。同時(shí)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計(jì)算出被測(cè)者的位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)人員定位功能。CC2530內(nèi)部集成增強(qiáng)型8051和RF收發(fā)模塊，其外圍只需要很少元器件的配合就能完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

4 感知層信息采集算法設(shè)計(jì)

感知層采用RFID系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)融合而成的EPC傳感網(wǎng)絡(luò)，不但能獲取煤礦井下的環(huán)境信息，而且能對(duì)靜止或移動(dòng)的物體實(shí)現(xiàn)精確識(shí)別，同時(shí)RFID識(shí)別范圍還能夠不斷擴(kuò)展。

在實(shí)際應(yīng)用中，可能存在感知陰影或盲點(diǎn)，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)不合理分布造成的監(jiān)測(cè)影響進(jìn)行優(yōu)化處理。一般先建立節(jié)點(diǎn)分布的感知數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用環(huán)境的地域數(shù)學(xué)模型，然后依據(jù)模型建構(gòu)目標(biāo)函數(shù)，并在約束條件下選擇適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行優(yōu)化處理。目前常用的感知模型分為兩種：二元感知模型和指數(shù)感知模型。

（1）二元感知模型

（2）指數(shù)感知模型

其中P_i是感知概率，其功能是確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所在的感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)，d（i，j）是感知半徑，其功能是確定節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)之間的空間距離。模型②中α和β是反映智能傳感器本身具有的物理參數(shù)特性。

兩種感知模型中的節(jié)點(diǎn)i在沒有相近節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，節(jié)點(diǎn)i對(duì)感應(yīng)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)j的感知概率。但在某一節(jié)點(diǎn)旁肯定會(huì)存在相鄰節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致相鄰節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)本身的感應(yīng)區(qū)域互相交叉的現(xiàn)象，這樣會(huì)出現(xiàn)感知概率互相影響。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)i存在N個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，則重疊區(qū)域?yàn)椋篗=R（i）nR（n₁）nR（n₂）n……nR（n_N），其中n₁，n₂，……，n_N為節(jié)點(diǎn)i存在的N個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)。R（n₁），R（n₂），……，R（n_N）是節(jié)點(diǎn)i及鄰近節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)區(qū)域。

若每個(gè)感知目標(biāo)互相獨(dú)立，則M個(gè)節(jié)點(diǎn)中任一點(diǎn)的感知概率用公式③計(jì)算：

但實(shí)際工作中，若將公式③作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，需要將目標(biāo)區(qū)域抽象成兩維的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)需要配合約束條件有：（1）所有智能節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地位平等且不自由移動(dòng)，各個(gè)相關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)具有相同的初始能量及通信能力。（2）目標(biāo)區(qū)域全部覆蓋。（3）隨機(jī)分配智能節(jié)點(diǎn)，使用該算法前，全部節(jié)點(diǎn)休眠。

5 結(jié)語

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮無線通信傳感網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)組網(wǎng)快捷，使用靈活、方便，并能夠?qū)崿F(xiàn)視頻、音頻、告警信息、路線追蹤定位等多種功能，為工作人員提供了優(yōu)良的安全保障，有較高的應(yīng)用價(jià)值。