探析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦山安監(jiān)系統(tǒng)的應(yīng)用

董泓吾

（河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司石人溝鐵礦設(shè)備保障中心，河北 遵化 064200）

我國(guó)在礦井安監(jiān)系統(tǒng)的研究上起步較晚，僅僅在上個(gè)世紀(jì)改革開放之后才引進(jìn)相關(guān)系統(tǒng)。后來(lái)在經(jīng)常長(zhǎng)期的使用和實(shí)踐當(dāng)中，推出了一系列仿制的系統(tǒng)，并在實(shí)踐中加以改進(jìn)，成功的研發(fā)出了KJX系列的安監(jiān)系統(tǒng)，但是伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于這個(gè)早期的系統(tǒng)已經(jīng)被完全取代。在當(dāng)下我國(guó)已經(jīng)可以自主研發(fā)出相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，但是依然在實(shí)際的使用中，面臨著諸多方面的問題。例如，系統(tǒng)由于采用的是有線網(wǎng)絡(luò)，這樣就使得在實(shí)際的使用中，有著較高的投入成本。在系統(tǒng)的安裝以及維修上較為困難，加上系統(tǒng)的功能局限性，使得無(wú)法有效的獲取到全面的環(huán)境參數(shù)和施工人員的作業(yè)信息。在當(dāng)下的研發(fā)中，出現(xiàn)了無(wú)線傳感器的安監(jiān)系統(tǒng)，以此有效的解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺陷。

1 研究背景

煤炭產(chǎn)業(yè)一直都是國(guó)家和社會(huì)發(fā)展的重要能源物質(zhì)，構(gòu)成了工業(yè)發(fā)展的主要基礎(chǔ)條件。我國(guó)無(wú)論是在煤炭?jī)?chǔ)量還是在煤炭的開采量方面，一直都在世界的前列。加上我國(guó)的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展當(dāng)中，使得對(duì)于煤炭能源的需求量不斷的提升當(dāng)中，要進(jìn)一步的加大煤炭的開采規(guī)模。但是煤炭的開采過程中，其實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境有著一定的特殊性，因此施工人員在參與作業(yè)中面臨著較大的安全威脅。一旦在煤炭的開采中，僅僅重視經(jīng)濟(jì)效益和煤炭開采的數(shù)量，就會(huì)造成較大的安全事故，為國(guó)家和人民群眾造成巨大的損失，并不利于煤炭行業(yè)的整體發(fā)展和進(jìn)步。為此，在當(dāng)下的發(fā)展中，國(guó)家制定了相關(guān)的安全避險(xiǎn)規(guī)定，使得在井下安全監(jiān)控技術(shù)的使用中，有著更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。這樣的背景下，無(wú)線傳感器技術(shù)便運(yùn)用在了煤炭開采領(lǐng)域當(dāng)中[1]。

2 無(wú)線傳感器技術(shù)

無(wú)線傳感器技術(shù)使用中智能化、自動(dòng)化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以有效的在開采煤炭的過程中，滿足煤炭開采的各種安全方面的監(jiān)測(cè)需求。例如，在實(shí)際使用的過程中，可以實(shí)現(xiàn)人員定位跟蹤、數(shù)據(jù)冗余處理等方面的技術(shù)，因此就可以充分的保障煤炭開采的順利進(jìn)展。

在設(shè)計(jì)的煤炭開采過程中，對(duì)于礦區(qū)和安全部門而言，需要對(duì)井下正在作業(yè)的工作人員開展實(shí)時(shí)定位跟蹤，這樣才可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)一些潛在的安全隱患，充分的保障作業(yè)人員的安全。定位技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。例如，在發(fā)生礦難的時(shí)候，就可以馬上對(duì)井下受難人員實(shí)現(xiàn)精確的定位，以此開展高效率的救援工作，大大提升施工人員的生存可能性。其次，伴隨著當(dāng)下科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)成功的研發(fā)出一種錨點(diǎn)優(yōu)化方式下的定位算法，這種算法可以實(shí)現(xiàn)智能化的人員定位功能。但是，由于在井下的施工作業(yè)的環(huán)境較為復(fù)雜以及空間有限，使得在錨點(diǎn)的數(shù)量上有限，因此會(huì)帶來(lái)一定的通信節(jié)點(diǎn)連通性不足的問題，對(duì)于精準(zhǔn)定位也會(huì)造成一定的影響。另外，處于成本的限制，也需要對(duì)錨點(diǎn)的數(shù)量合理的降低，這就使得依靠錨點(diǎn)數(shù)量的提升來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位的可能性不高。在當(dāng)下的設(shè)計(jì)中，更加需要對(duì)錨點(diǎn)實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，結(jié)合其作業(yè)的實(shí)際環(huán)境，使得錨點(diǎn)處于最佳的位置，這樣就可以在保障定位精度符合安監(jiān)要求的前提下，還可以起到節(jié)約成本的效果[2]。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究，最早由美國(guó)軍方提出了應(yīng)用在軍事當(dāng)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，例如對(duì)于森林火災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域，都實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的應(yīng)用。無(wú)線傳感器在系統(tǒng)的組成上，主要由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)以及控制管理中心所構(gòu)成。并集成了眾多的傳感器、數(shù)據(jù)處理單元以及通信模塊節(jié)點(diǎn)。在不同的節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，利用相同的協(xié)議組成了分布式的網(wǎng)絡(luò)，之后再對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行全面處理和優(yōu)化之后，便可以有效的形成無(wú)線電波，進(jìn)而將其數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行漠?dāng)中。

在當(dāng)下構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，并沒有中心節(jié)點(diǎn)的自主網(wǎng)。另外在所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，有著相同的傳輸?shù)匚唬恳粋€(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)或者在局部區(qū)域的節(jié)點(diǎn)上，即使發(fā)生了故障問題，也不會(huì)對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)造成癱瘓方面的影響。在構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)化的特點(diǎn)。但是，該網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力有限，在每一單獨(dú)節(jié)點(diǎn)上，所能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不強(qiáng)，但是足以滿足系統(tǒng)上對(duì)于信息數(shù)據(jù)的傳輸需求。在實(shí)際的使用上，并不需要人工參與到能量的補(bǔ)充，因此構(gòu)成了一種無(wú)人看守的網(wǎng)絡(luò)類型。另一方面，在物理層上，當(dāng)下構(gòu)成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)依據(jù)IEEE網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，使得十分適合礦井下的監(jiān)測(cè)工作。

4 礦井無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的系統(tǒng)

4.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

在將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到礦井的開采過程中，首先要結(jié)合起當(dāng)下礦山巷道，以及作業(yè)的工作面的實(shí)際情況進(jìn)行合理的分析，以此構(gòu)成合理的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。

在系統(tǒng)的構(gòu)成上，主要由監(jiān)控中心站主機(jī)、監(jiān)控管理軟件、數(shù)據(jù)接口、避雷器、通信電纜以及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換裝置所構(gòu)成。在眾多的系統(tǒng)組成上，監(jiān)控中心站主機(jī)，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵所在，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并形成數(shù)據(jù)報(bào)表、曲線顯示，以及各種圖像的形成。在具體的運(yùn)行過程中，一旦系統(tǒng)檢測(cè)到一些異常數(shù)據(jù)，就會(huì)向執(zhí)行器發(fā)出執(zhí)行的指令。

在當(dāng)下無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成中，其計(jì)算機(jī)可以提供USB、RS232等接口類型。但是在實(shí)際的使用中，往往對(duì)這種類型的接口的使用，有著一定通信距離方面的限制，因此就無(wú)法有效的連接到工作面的一些設(shè)備。因此，對(duì)于當(dāng)下遠(yuǎn)距離的通信協(xié)議設(shè)計(jì)中，主要采用RS485、TTY以及CAN總線等類型的協(xié)議類型。但是在監(jiān)控中心站的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中，由于無(wú)法很好的與這類型的協(xié)議進(jìn)行連接，就十分需要在傳輸接口的使用上，要實(shí)現(xiàn)協(xié)議方面的全面轉(zhuǎn)換。

其中系統(tǒng)的防雷裝置的設(shè)計(jì)，是為了在實(shí)際的運(yùn)行中，避免通信電纜出現(xiàn)較為嚴(yán)重的浪涌電流，因此起到充分保護(hù)系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行中，不會(huì)受到浪涌電流方面的危害。而在通信電纜的連接井下，所使用的無(wú)線傳感器局域網(wǎng)，以及構(gòu)成的井上監(jiān)控中心，要將電纜直接敷設(shè)到作業(yè)面之上，以此形成連通的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換裝置。

在系統(tǒng)當(dāng)中的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換裝置，是一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，與有線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)交換的裝置，因此系統(tǒng)運(yùn)行中，可以實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)的PAN連接。另外，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的使用中，主要由終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)。而在協(xié)調(diào)器的使用上，相當(dāng)于傳統(tǒng)監(jiān)控中分站。而在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，以及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換裝置當(dāng)中，需要裝設(shè)在相同的設(shè)備之上。而在協(xié)調(diào)器上，就需要使用初始化網(wǎng)絡(luò)、在臨近設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、連接以及斷開網(wǎng)絡(luò)方面，可以實(shí)現(xiàn)諸多的任務(wù)。

其中在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，與傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的傳感器、執(zhí)行器以及聲光報(bào)警裝置的功能相似。但是，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)可以有效的作用于一些移動(dòng)的目標(biāo)上，例如可以作用于工作人員的傳感器設(shè)備、生理檢測(cè)傳感器設(shè)備等，形成良好的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。另外，在協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)上，采用的是與周圍節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)類型，使得在不同的星形網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，利用電纜的方式進(jìn)行連接[3]。

4.2 工作原理

系統(tǒng)運(yùn)行中，需要將ZigBee無(wú)線收發(fā)傳感器，以及執(zhí)行器終端分別安裝在井下的設(shè)計(jì)好的位置上。在間距的設(shè)計(jì)上，需要將井下巷道當(dāng)中，保障在70m以內(nèi)就有著一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并搭配著一個(gè)網(wǎng)路轉(zhuǎn)換裝置。而在協(xié)調(diào)器以及節(jié)點(diǎn)的安裝上，還要在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，都要有著兩個(gè)以上的協(xié)調(diào)器，這樣就可以在系統(tǒng)的運(yùn)行中，即便某個(gè)協(xié)調(diào)器出現(xiàn)嚴(yán)重的故障，其他節(jié)點(diǎn)也可以馬上進(jìn)入到另一個(gè)協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，因此讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)順利的運(yùn)行下去，不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)的癱瘓。

之后，由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)裝置相連，使得可以對(duì)每一個(gè)處于ZigBee上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集，之后在有效的利用電纜的方式，將其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)當(dāng)中。計(jì)算機(jī)在得到了數(shù)據(jù)信號(hào)之后，可以對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全面的分析，使得可以針對(duì)性的發(fā)出執(zhí)行命令。執(zhí)行信息達(dá)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之后，便再次利用協(xié)調(diào)器，將執(zhí)行命令發(fā)送到不同的無(wú)線鏈路當(dāng)中，形成完整的指令傳輸流程。

對(duì)于不同的終端節(jié)點(diǎn)而言，都會(huì)得到獨(dú)立且唯一的64bit IEEE地址，這樣在不同的地址當(dāng)中，都會(huì)形成相對(duì)單獨(dú)的終端設(shè)備信息數(shù)據(jù)，或者對(duì)應(yīng)著單獨(dú)的工作人員個(gè)人信息數(shù)據(jù)。另外，對(duì)于每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器而言，由于有著固定的位置信息，就會(huì)在礦山中形成一個(gè)固定的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，只有充分的利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，以及周圍的節(jié)點(diǎn)，就可以讓網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的眾多子節(jié)點(diǎn)，形成列表的信息數(shù)據(jù)，充分的對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)良好的處理。另一方面，在發(fā)生事故之后，就可以基于地面監(jiān)控的方式，使得計(jì)算機(jī)可以馬上收集到事故的具體信息數(shù)據(jù)，并明確出事故的具體位置。

而控制中心計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中，是對(duì)整個(gè)安監(jiān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控的系統(tǒng)。例如，可以對(duì)采集當(dāng)?shù)男畔?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)綜合性的分析和處理，以此對(duì)發(fā)出的執(zhí)行指令進(jìn)行分析和討論。例如，針對(duì)礦山的瓦斯?jié)舛瘸捱M(jìn)行動(dòng)態(tài)的考量。之后，還要對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較分析，以此可以對(duì)報(bào)警信號(hào)開展合理性的評(píng)估，要對(duì)電信號(hào)的控制動(dòng)作實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的控制處理。同時(shí)，計(jì)算機(jī)也可以在運(yùn)行中，可以有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)方面的顯示、保存和備份，例如對(duì)眾多數(shù)據(jù)的查詢、報(bào)表打印等功能，為礦井的日常安全運(yùn)行做好保障。

而在監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)中，還要安裝備用計(jì)算機(jī)，并讓數(shù)據(jù)信息在備用計(jì)算機(jī)上保持著數(shù)據(jù)方面的更新。這時(shí)一旦在計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的故障，就需要讓備用計(jì)算機(jī)馬上投入到使用當(dāng)中，以此降低數(shù)據(jù)方面的損失和故障，因此讓控制中心的計(jì)算機(jī)不會(huì)由于系統(tǒng)的癱瘓而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

4.3 系統(tǒng)的日常運(yùn)維

在安監(jiān)系統(tǒng)的日常運(yùn)行中，為了提升監(jiān)控的效果，就要積極的開展系統(tǒng)的定期運(yùn)維工作。首先，要建立出專門的監(jiān)管部門，以此針對(duì)一些重要的安監(jiān)系統(tǒng)，開展定期的巡檢工作。在巡檢的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的問題，就要馬上開展煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造工作，以此符合當(dāng)下煤礦開采工作的監(jiān)管工作[4]。

同時(shí)，對(duì)于工作人員的工作而言，還要加強(qiáng)執(zhí)法工作強(qiáng)度，對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行監(jiān)管工作制定出合理的標(biāo)準(zhǔn)和制度，首先，建立出符合當(dāng)下煤礦安監(jiān)系統(tǒng)運(yùn)行的建成制度。在日常的管理工作當(dāng)中，讓監(jiān)控系統(tǒng)的管理工作納入到日常的管理內(nèi)容當(dāng)中。重視起一些監(jiān)控系統(tǒng)的不合理工作流程，例如在辦理復(fù)工、開工的手續(xù)當(dāng)中，要積極的將其審查內(nèi)容實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的把關(guān)。一旦發(fā)現(xiàn)了日常安全檢查工作當(dāng)中的問題，就要積極讓監(jiān)控系統(tǒng)受到嚴(yán)格的管理，在面對(duì)情節(jié)嚴(yán)重的問題的時(shí)候，就要馬上停產(chǎn)開展整頓[5]。

5 總結(jié)

綜上所述，在本文的分析中，主要針對(duì)當(dāng)下煤礦開采工作，所使用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。這種技術(shù)方案可以很好的提升煤礦開采工作的安全監(jiān)管力度，更加符合當(dāng)下煤礦開采工作的安全標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也要重視起系統(tǒng)的運(yùn)維工作。