基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

杜華東

（黑龍江礦安安全生產(chǎn)技術(shù)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

伴隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛飛速的發(fā)展，煤炭能源已經(jīng)成為國內(nèi)至關(guān)重要能源資源供應(yīng)的一種，也是各行業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性主要燃料，煤炭能源的需求量需要滿足現(xiàn)代社會(huì)對其的需要，那么伴隨而來的就是礦業(yè)開采經(jīng)營規(guī)模的擴(kuò)大、對礦井下工作者的需求量激增，導(dǎo)致礦井下的安全性及確保礦井下工作者的安全性問題已經(jīng)不可忽視。國內(nèi)的煤炭能源制造一般來自于地下開采，礦井下制造工作環(huán)境很苛刻。近些年來國內(nèi)對煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)工作也愈來愈關(guān)注，國內(nèi)考慮到工程地質(zhì)工作環(huán)境局限，煤炭能源的開發(fā)利用一般以礦井下居多，要想克服礦井下的安全生產(chǎn)工作難題，實(shí)現(xiàn)井下的安全性生產(chǎn)調(diào)度和通信保障是關(guān)鍵難題。考慮到井下構(gòu)造的復(fù)雜的特征，礦井下至關(guān)重要的工作環(huán)境數(shù)據(jù)如周圍環(huán)境溫度、井下空氣濕度、氣體壓力、風(fēng)速等級還有有害氣體濃度值等，難以用有線通信方式即時(shí)地監(jiān)管。因此，煤礦安全生產(chǎn)成為了一個(gè)急需解決的關(guān)鍵問題，研究分析出能縮減、甚至是清除井下自然災(zāi)害的全新智能化安全性技術(shù)方法，已經(jīng)顯得非常急迫，確保煤炭能源安全生產(chǎn)工作，保證能夠滿足祖國對煤炭能源海量需求。井下安全性智能監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體構(gòu)造，主要采用了ZigBee 無線電技術(shù)、傳輸路由協(xié)議和定位算法三種現(xiàn)代核心科學(xué)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)做為一種新式的無線通信技術(shù)，運(yùn)用于井下環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的解析和設(shè)計(jì)當(dāng)中，不止為井下安全生產(chǎn)工作管控和重大事故緊急救援給予安全可靠的技術(shù)服務(wù)，還為相近井下的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的解析和設(shè)計(jì)給予理論基礎(chǔ)和運(yùn)用示例[1]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

無線傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是由布署在監(jiān)控區(qū)域環(huán)境內(nèi)大批感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)借助自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同地覺察、采集和整理被監(jiān)控區(qū)域環(huán)境中覺察目標(biāo)的信息內(nèi)容，借助對這些信息內(nèi)容的協(xié)同式整理，獲取覺察目標(biāo)的精準(zhǔn)信息內(nèi)容。因此，感應(yīng)器、覺察目標(biāo)和觀測者構(gòu)成了無線傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在承繼了無線傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)自動(dòng)覺察、系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)、多跳無線中繼傳遞等特征的同時(shí)，綜合考慮到了煤礦業(yè)礦井下的真實(shí)情況[1]。

1.1 無線傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)外部通常構(gòu)造

常見的傳感器網(wǎng)絡(luò)由感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或通訊通信衛(wèi)星和任務(wù)管理處理節(jié)點(diǎn)等部件共同構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)任意布署分散在被監(jiān)控監(jiān)督的區(qū)域環(huán)境內(nèi)，節(jié)點(diǎn)以自行自動(dòng)組織的形式構(gòu)成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠采集數(shù)據(jù)信息，并借助“多跳分享”路由形式手段把數(shù)據(jù)內(nèi)容信息傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)和別的鄰近節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)可以直接與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)或通訊衛(wèi)星連在一起，借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)或通訊衛(wèi)星完成任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)與感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)相互之間的通訊。移動(dòng)用戶借助管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)管控和配制，推送監(jiān)控日常任務(wù)并采集數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1.2 感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)的功能模塊構(gòu)造

無線傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部件是感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)。通常情況下，感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)由感應(yīng)器功能模塊、數(shù)據(jù)整理功能模塊、無線通訊功能模塊和能源資源供給功能模塊構(gòu)成。當(dāng)中感應(yīng)器功能模塊由各種類型感應(yīng)器及模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)器設(shè)備構(gòu)成，處理器功能模塊通常主管協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部件作業(yè)；無線通訊功能模塊通常主管與其余感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)及觀測者的通訊；能源資源供給功能模塊給予感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)平常作業(yè)所需要的能源資源，它是直接影響節(jié)點(diǎn)使用期限的主要因素。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

（1）感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)體型小，成本費(fèi)用低，具備自適應(yīng)性無線傳感器中運(yùn)用的感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)各部件集成度很高，因此具備體型小的優(yōu)勢。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大批的感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)組織聯(lián)系在一起構(gòu)成的，其生產(chǎn)和加工、制造的成本費(fèi)用非常低。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)具備不錯(cuò)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性[2]。

（2）電源模塊能源資源是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)使用期限的核心無線傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)一般管控系統(tǒng)布署在極端場景或人不適宜抵達(dá)的區(qū)域環(huán)境，電池組能源資源比較有限，且通常無補(bǔ)給能源資源，感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)基于電源模塊能源資源的緣故經(jīng)常性失靈或丟棄，因此如何有效提高電源效率是設(shè)計(jì)構(gòu)思節(jié)點(diǎn)時(shí)需要考慮的主要因素。

（3）數(shù)據(jù)管控與加工處理是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身最突出的特征就是以數(shù)據(jù)收集處理為中心，傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須以對數(shù)據(jù)的收集和管控為核心內(nèi)容，把數(shù)據(jù)庫技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合在一起，從邏輯理性概念和軟件硬件技術(shù)等幾個(gè)方面考慮其系統(tǒng)的設(shè)置和實(shí)現(xiàn)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

體系設(shè)計(jì)方案按照無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)建，以做到對礦井下環(huán)境監(jiān)控和管控。該監(jiān)控系統(tǒng)可分成兩個(gè)分系統(tǒng)，存在于煤礦井下的部分的采集與傳送體系，和存在于地面上部分的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管控系統(tǒng)。

2.1 采集與傳送體系

采集與傳送體系具體包含移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及其匯聚節(jié)點(diǎn)，做到對礦井下生存環(huán)境等信息數(shù)據(jù)的采集與傳送，感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)構(gòu)思按照無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信原理和單片機(jī)設(shè)計(jì)理論知識，可設(shè)計(jì)構(gòu)思感應(yīng)器的普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由礦井下煤礦工隨身攜帶，蓄電池配電，含有檢測高瓦斯?jié)舛戎档壬鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控傳感器，具備無線數(shù)據(jù)傳輸信息的基本功能，并在環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)自行警報(bào)。各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)給予一個(gè)唯一的序號，用來明確攜帶者的個(gè)人身份、具體位置等信息。其中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)兩種節(jié)點(diǎn)全部都是感應(yīng)器的節(jié)點(diǎn)，具體采集礦井下區(qū)域環(huán)境真實(shí)情況信息，不斷開展多跳轉(zhuǎn)發(fā)分享，只將本節(jié)點(diǎn)認(rèn)知的信息發(fā)送到緊鄰路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)開展“多跳分享式”轉(zhuǎn)發(fā)，將認(rèn)知的信息按照路由協(xié)議推送出去；固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按特定的距離穩(wěn)固在支煤巷道內(nèi)壁，具備區(qū)域環(huán)境信息和無線數(shù)據(jù)傳輸信息的基本功能;并在環(huán)境監(jiān)控信息數(shù)據(jù)超出安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)自行拉響警報(bào)。對于各個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的具體位置，必須通過在電子計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中辦理備案的方式予以記錄，以此記錄作為固定座標(biāo)點(diǎn)，方便在井下工作時(shí)用來明確運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置。匯聚節(jié)點(diǎn)的功能是做到傳送體系和管控系統(tǒng)相互之間的傳送數(shù)據(jù)，相當(dāng)于系統(tǒng)相互之間的一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。關(guān)于基站接收機(jī)節(jié)點(diǎn)，主要被安置在主煤巷內(nèi)，收發(fā)固定式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳送過來的信息數(shù)據(jù)，并將收集到的數(shù)據(jù)信息憑借通訊光纜飛速傳輸給專門負(fù)責(zé)信息數(shù)據(jù)收集的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中[2]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管控系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管控系統(tǒng)包含監(jiān)測中心電腦網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信息憑借匯聚節(jié)點(diǎn)傳到監(jiān)測中心并存進(jìn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件對信息開展具體分析加工處理，并按照信息的變換對工人及礦井下區(qū)域環(huán)境開展監(jiān)督控制。

2.3 數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計(jì)

按照無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井下環(huán)境監(jiān)控體系的數(shù)據(jù)整理程序流程是：首先由感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)開展礦井下區(qū)域環(huán)境信息即時(shí)采集，經(jīng)其內(nèi)嵌的信號處理器簡易加工處理后發(fā)送到緊鄰路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)憑借多跳轉(zhuǎn)發(fā)分享的形式將信息發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將收發(fā)到的信息分享到地面上信息監(jiān)測中心，信息監(jiān)測中心將收發(fā)到的匯聚節(jié)點(diǎn)的信息存進(jìn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并對信息開展具體分析，以獲得有效的礦井下區(qū)域環(huán)境信息，最后將具體分析結(jié)論展示給系統(tǒng)管理員。信息收集數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采集加工處理信息，將信息保存到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并隨時(shí)隨地向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控部門給予即時(shí)精準(zhǔn)的礦井下區(qū)域環(huán)境信息。

2.4 數(shù)據(jù)信息監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)信息監(jiān)控系統(tǒng)核心的功能是接收匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息，剖析礦井下區(qū)域環(huán)境狀況。它核心由端口服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)據(jù)信息監(jiān)控服務(wù)器等構(gòu)成。端口服務(wù)器用于與匯聚節(jié)點(diǎn)開展通訊，完成協(xié)議變換；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)服務(wù)器用于歸類存放傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的礦井下數(shù)據(jù)信息，與此同時(shí)與數(shù)據(jù)信息監(jiān)控服務(wù)器開展通訊；數(shù)據(jù)信息監(jiān)控服務(wù)器運(yùn)轉(zhuǎn)電腦監(jiān)控軟件，剖析并展現(xiàn)礦井下區(qū)域環(huán)境狀況。電腦監(jiān)控軟件是數(shù)據(jù)信息監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分。它由即時(shí)展現(xiàn)模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)加工分析模塊、警報(bào)監(jiān)管模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊構(gòu)成。

2.5 實(shí)用性和可行性分析

礦井底下作業(yè)的空間范圍窄小、密不透風(fēng)、工程地質(zhì)狀況復(fù)雜多樣化，難于布置有線機(jī)器設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)的體型大小非常小，價(jià)格低，能夠管控系統(tǒng)自由撒放于所有不規(guī)律的空間，它們覺察被測地域數(shù)據(jù)信息并相互之間遞送，使有線機(jī)器設(shè)備無法取得的數(shù)據(jù)信息借助匯聚節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)最終能夠抵達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)，完成井下區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用或測試時(shí)，一般采用ZigBee通訊技術(shù)。

ZigBee 技術(shù)是一種短距離傳輸、耗能較低、成本費(fèi)用低的非單向無線通信技術(shù)，是當(dāng)下在井下企業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中普遍采用的無線電技術(shù)，管控系統(tǒng)ZigBee 技術(shù)在運(yùn)用前期核心在國防軍事業(yè)務(wù)領(lǐng)域。隨后對ZigBee 技術(shù)開展資源整合和有關(guān)衍生技術(shù)的研發(fā)，如今早已普遍地運(yùn)用于災(zāi)害監(jiān)測、能源資源監(jiān)控等多方面。該技術(shù)能夠植入各類機(jī)器設(shè)備中，與此同時(shí)兼容地理位置精確定位的功能。與此同時(shí)，充分考慮到礦井下通訊的某些特別要求，例如：井下煤巷的半封的空間結(jié)構(gòu)還有煤的電解介質(zhì)特征促使井下在工作頻率較高的狀況下相似于介質(zhì)波導(dǎo)，能夠在2.4GHz 頻率段工作，使高頻率無線電通信信號在井下中更加合理有效地直接的傳送。眾多專家學(xué)者早已對無線信號在井下中的傳送開展了測試，最終結(jié)果表明其傳播性能指標(biāo)良好。2.4GHz 頻率段也是全球通用的工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)研究頻率段，免收費(fèi)、免申報(bào)，在此頻率段上天線規(guī)格和電源芯片功能損耗能夠設(shè)計(jì)的更小，礦井下通訊特別適合用。其主要特點(diǎn)主要包含下面幾個(gè)方面:

（1）功能損耗低，傳送數(shù)據(jù)時(shí)的穩(wěn)定非常高。ZigBee 技術(shù)將任務(wù)全過程劃分兩個(gè)過程模式，分別是工作模式和休閑模式。在工作模式下，ZigBee 技術(shù)的傳輸數(shù)據(jù)信息的速度比較慢，傳輸?shù)男畔⒘恳矔?huì)較為小，因此，數(shù)據(jù)信號的收取和發(fā)送時(shí)長便會(huì)較為短。而在非工作模式下，有關(guān)ZigBee的節(jié)點(diǎn)便會(huì)進(jìn)入休閑的形態(tài)，即開啟了所謂的休閑工作模式。在此模式下工作可以節(jié)約非常多的電力能源，一節(jié)干電池就可以用很多年了。并且在MAC 層，選用了爭端預(yù)防機(jī)制，提高了信息內(nèi)容傳送數(shù)據(jù)的安全可靠性。

（2）存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量很大，兼容支持很多其他設(shè)備，且安全性能非常高。ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分簡單，并且也兼容簡易電子元器件。一個(gè)ZigBee 技術(shù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以涵蓋255 個(gè)ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，假如在這個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)里選用了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)器，那么就可以兼容65535 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。并且這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以和目前的有線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線互聯(lián)網(wǎng)無縫對接集成化，非常大地推動(dòng)了ZigBee 的廣泛運(yùn)用，并且ZigBee 還兼容基于128 位的密碼算法，進(jìn)而提高了傳送數(shù)據(jù)的安全性能。

（3）成本費(fèi)用造價(jià)低，任務(wù)頻率段設(shè)定靈活機(jī)動(dòng)。因?yàn)閆igBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議比較靈活，其合理有效的覆蓋面積在10m～75m，應(yīng)用頻率段可以在2.4GHz，868MHz，915MH，這3個(gè)頻率段上免費(fèi)體驗(yàn)，正因如此，目前許多管控系統(tǒng)煤礦業(yè)公司在挑選無線通信技術(shù)時(shí)，選用的是ZigBee 技術(shù)。

3 結(jié)語

本篇文章緊密結(jié)合井下工作環(huán)境的特點(diǎn)，經(jīng)過解析無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)性特點(diǎn)，解析構(gòu)思了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下環(huán)境監(jiān)控操作系統(tǒng)仿真模型，緊密結(jié)合對應(yīng)的無線通信技術(shù)性以及路由協(xié)議就可以展開仿真。伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展壯大及井下環(huán)境監(jiān)測方式的持續(xù)提升，日后的研究分析作業(yè)還將更進(jìn)一步拓展?？蓮南旅孢@幾個(gè)方向改善操作系統(tǒng)的總體性能，如增多傳感器節(jié)點(diǎn)的功能和性能，引進(jìn)音頻與視頻等多媒體系統(tǒng)傳感器，使管理者對礦井下具體情況一覽無余。緊密結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的融合技術(shù)性，提升數(shù)據(jù)采集的速率與效率，獲取更精準(zhǔn)的礦井下數(shù)據(jù)，合理節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量消耗延緩其使用期限等。