基于無線傳感器網絡的煤礦安全監控系統的研究

邊 晶

（長春大學 計算機科學技術學院，長春 130022）

0 引言

當前我國煤礦行業信息化水平較低，信息技術應用不平衡。井下連采工作面由于設備較多，各設備隨機獨立作業，造成互相之間信息不溝通，更難以實現綜合數據網絡管理，從而限制了礦井自動化網絡技術對該地區的輻射，這在一定程度上制約著煤礦安全生產工作。基于上述原因，本文作者設計了一個基于無線傳感器網絡的煤礦安全監控系統，可以對井下環境參數和工況參數進行采集，并把采集到的參數實時送往井上的計算機進行顯示、控制和超限報警等處理。

1 系統總體設計

煤礦安全監控系統主要是對礦井生產系統的安全監控，包括對礦井空氣中有害或危險成分（如甲烷、一氧化碳等）的監測，礦井空氣物理狀態（如風速、負壓、溫度等）的監測，以及通風設備運行狀態（如設備開停等）的監測，并且在緊急情況下能夠使煤礦井下的一些電器設備斷電，停止運轉。

本系統分為井上和井下兩部分[1]。井下部分主要是利用傳感器對礦井內的溫濕度和瓦斯體積分數信息采集，然后通過路由的方式經過各個節點傳送到基站；井上部分主要負責接收從基站傳輸過來的數據，通過各監測子系統進行處理、分析，以曲線、圖形和報表等形式顯示數據，并支持各種查詢統計功能。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 無線傳感器網絡設計

本系統采用基于IEEE802.15.4標準的ZigBee技術組建無線網絡。ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本、高容量、高可靠性的無線網絡技術，其工作頻段為2.405 ～2.480 GHZ，采用直接序列擴頻的通信技術，數據傳輸速率為250 KB/S[2]，無線網絡數傳模塊節點容量最多可達到65000個，每一個數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展，非常適合煤礦井下信息的采集。本網絡節點以自組織形式構成網狀拓撲結構，每個節點都可以自主采集數據，數據通過單跳方式或多跳中繼方式送到匯聚節點[3]。

2.1 無線傳感器網絡節點的體系結構

無線傳感器網絡節點是網絡的基本單元，負責數據的采集和傳送，其體系結構由數據采集模塊(傳感器、A/D轉換器)、數據處理模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收發器）和電源模塊（電池、DC/DC能量轉換器）四部分組成，如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡節點體系結構

2.2 傳感器節點的設計

在數據處理模塊中，微處理器是傳感器節點的核心部件，負責處理數據并協調整個系統。為了使系統具有高性能、低功耗、多型號接口等特點，本次設計最終采用ATMEL公司生產的的8位單片機ATmega128L作為微處理器單元。ATmega128L先進的RISC結構使其具有較高的計算性能[4]，不但具有UART、SPI、HC等通用接口，而且還具備多通道的模數轉換器，同時，它可用的開源開發軟件工具成熟且傳感器節點操作系統TinyOS對其支持較好。

雖然ATmega128L微處理器自帶了4KB的EEPROM數據存儲區域，但是對于傳感器節點來說，擁有一個相對容量更多的、永久的數據存儲區域是十分必要的,以便遠程節點代碼的自動更新、節點配置信息的保存等對更多存儲空間的需要。為此，傳感器節點的設計中使用了額外的一片512K的AT45DB041非易失性FLASH作為外部數據存儲器。

在無線通信模塊中，考慮到無線收發器的數據傳輸速率、接收與發送功率、休眠的能耗、啟動穩定時問和信號調制方式等方面，最終采用了Chipcon公司的CC2420射頻芯片。CC2420射頻芯片采用SmartRF技術，以0.18urn的CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。由于TinyOS已包含CC2420驅動支持，因此能夠更加方便地與微處理器相連。

在數據采集模塊中，溫濕度傳感器采用SHTI1芯片，可燃氣傳感器采用KGS-20。SHTI1是sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高精度、抗干擾能力強的數字溫濕度傳感器芯片。該芯片通過兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大，然后進入一個14位的A／D轉換器，最后經過二線串行數字接口輸出數字信號。KGS-20型可燃氣傳感器是以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器，它的基本特征是極高靈敏度和極快的響應速度且功耗低，非常適宜對井下可燃氣體積分數的檢測。

在本系統中，為了實現基站與主機之間的通信，設計了一個串口通信模塊。基站匯總各個節點的數據，然后通過一個RS232串行接口傳送給主機，主機再對這些數據進行處理。

3 煤礦監控管理軟件設計

井上監控管理軟件包括八大子系統，分別為：系統管理、安全監測系統、束管監測系統、通風監測系統、供電監測系統、煤流計量系統、主煤流監測系統和GIS系統。軟件用Borland公司的Delphi7.0編寫，Microsoft Access 2003作為后臺的數據庫，可以對各種參數進行表格顯示、曲線顯示、報警顯示和報警統計，以及對各種參數的報表生成和打印等。

3.1 系統功能設計

安全監測子系統作為整個煤礦安全生產遠程監測系統的核心部分，主要用來監測井下的各類環境參數和設備開停等主要生產參數。在一些重要的地點安裝傳感器后，一些環境參數和設備開停狀態信息可以直接在地面中心站及管理網絡工作站上反映出來，減少了井下有關的檢查和值班人員的工作負擔，幫助領導和調度員及時掌握安全生產情況，為指揮調度提供數據支持。

通風系統的基本任務是：供給井下充足的新風；排除或沖淡礦井中有毒有害氣體和粉塵；調解礦井氣候條件，創造良好的工作環境；提高礦井的抗災能力。

供電監測子系統用來顯示和查詢井下各個變電所的母線電壓頻率、提供用電設備及各種保護設備的電流功率等參數。所完成的功能包括：實時顯示中央變電所、通風機配電系統、主斜井配電系統機房的監測數據；根據時間、機房、測點等條件查詢歷史監測數據；在該系統內還能形成一些用戶使用的報表。

束管監測系統可以完成各級領導對束管系統監測數據的查詢和瀏覽。能夠用圖形的方式直觀顯現監測數據的走向。對每天監測的數據項有固定的報表格式，能夠查詢。每天最少會抽取三次氣樣，每次同時抽取八種氣體。能夠通過對監測數據的分析，通過“三角防爆區理論”對氣體進行危險性分析，并得出結果。

GIS系統負責用二維圖形表示礦井安全地理信息系統。主要包括圖形數據系統與屬性數據系統，前者主要輸入、存儲、查詢圖形數據(如：點、線、面及其拓撲關系等)，還具有圖形的分析與輸出等功能；而屬性數據系統主要完成圖形實體的屬性數據輸入與管理、各種屬性數據值的輸出等。但是兩者并不是孤立的，圖形數據與屬性數據間通過數據接口和數據庫服務器實現動態連接。系統主要包括數據輸入、圖形編輯、圖形設置、圖形顯示、專業操作、數據輸出、檢索查詢、模型分析和專業圖例庫等。同時具有通用GIS系統的各種功能，如：放大、縮小、修改、刪除、移動、旋轉、復制等。

整個系統最終實現的功能包括：

1）各種傳感器參數的采集：包括環境參數（如甲烷、一氧化碳、溫度和負壓等）和工礦參數的采集。

2）各種傳感器參數的顯示：采集器采集到的各種參數分別在采集器的液晶顯示屏和計算機上顯示出來。

3）超限報警：當檢測到某一傳感器的參數超限時，采集器及時控制蜂鳴器發出聲音報警，計算機同時給出聲音和畫面的報警。

4）設備的斷電控制：當需要對某一設備進行斷電控制時，采集器能夠對這一設備的斷電器進行操作，達到對設備的控制。

5）數據的遠距離傳輸：各個礦井采集器采集到的參數需要及時傳輸到地面中心站進行監測。

6）各種傳感器參數記錄和回放：計算機軟件把下位機傳來的各種參數存儲在硬盤空間，工作人員可以選擇任何一種參數進行記錄和回放。

3.2 系統模塊設計

系統管理：分為用戶管理、日志管理、代碼維護三部分。用戶管理負責管理用戶信息，包括添加、刪除用戶，修改用戶信息，并對用戶分配相應的角色。分配角色負責對系統已有用戶分配相應的角色，以限制和分配不同職能工作人員的操作權限。日志管理包括報警日志管理和安全日志管理，可以通過時間查詢出相應的報警日志和安全日志。

安全監測、通風監測、供電監測、煤流計量、主煤流監測這五大系統都對實時性要求較高，反映的數據類型基本類似，所以系統將這五大模塊設計成統一的功能和顯示風格，每個模塊都有“實時顯示”、“實時曲線”、“數據查詢”、“歷史曲線”、“報表”這五個功能點。“實時顯示”主要完成對井下與安全或設備狀況密切相關的重要參數的實時數據的顯示功能。“實時曲線”主要實現的是對比較重要的監測點或參數的實時數據進行動態曲線繪制，讓工作人員能夠非常直觀地看出數據的變化趨勢，以方便他們對生產的狀況進行分析。“數據查詢”是對一些需要的數據進行查看的過程，包括報警數據查詢和歷史數據查詢，報警數據查詢可以看到重要的一些報警數據，對重大報警歷史數據可以進行打印便于上報或者自行分析處理。“歷史曲線”主要實現的是對比較重要的監測參數在一段時間內的歷史數據繪制曲線，讓工作人員能夠非常直觀的看到歷史數據的變化趨勢，以方便他們對生產的狀況進行分析。“報表”是根據企業的需求，對一些關鍵數據進行整理和統計，形成直觀的書面單據方便保存和打印，為企業工作提供方便而設計的。

束管監測由于對實時性不要求，因此與前幾大系統功能點有所不同，分為“數據查詢” 、“曲線分析” 、“報表查詢” 、“三角防爆區”四個功能點。“數據查詢”是通過測點位置和選擇起始與結束的日期以表格的表現形式來查詢所有氣體的濃度含量。“曲線分析”是通過日期和測點來查詢在固定時刻各個采樣氣體的濃度百分比曲線圖。“報表查詢”是每天生成“羊場灣煤礦束管監測分析日報”，同時可以通過日期進行查詢。“三角防爆區”是可以查詢在爆炸危險區內的所有氣體抽樣記錄，并能顯示每一條抽樣記錄的分析圖和分析結果，將結果在分析圖上定位。

“GIS系統”從總體功能上劃分為六個功能模塊，分別是：地圖瀏覽、圖層控制、圖層編輯、搜索定位、實時報警、信息查詢。整個系統功能如圖3所示。

圖3 煤礦安全地理信息系統功能模塊圖

3.3 系統數據庫設計

“煤礦安全監控系統”的數據庫應包含井下監測的主要系統：供電、排水、主煤流、通風、束管、安檢，同時還要添加能夠進行GIS(地理信息系統)開發的庫表信息和系統管理的庫表信息。設計表結構時，考慮到此監控系統的特點，將安檢、通風、報警等模塊的監測數據分別建表。

4 結論

本文對無線傳感器網絡煤礦安全監控系統的組成與體系結構及軟硬件設計方法進行了研究。該系統將ZigBee無線網絡技術與傳統的煤礦安全監控系統相結合，彌補了井下監控網絡依靠有線傳輸的局限，使得安全監控系統最大可能地有效覆蓋事故隱患的地方，并為連采工作面移動設備并網提供了技術支持。利用該技術，可以很方便地實現有線網絡和無線網絡的無縫接口，為混合網絡的實現提供了重要參考。

[1] 鐘新躍,謝完成.無線傳感器網絡在煤礦環境監測中的應用[J].煤炭技術,2009,28(9):102-103.

[2] 吳呈瑜,孫運強.基于ZigBee技術的短距離無線數據傳輸系統[J].儀表技術與傳感器,2008,(5):38-39.

[3] 李繼林.煤礦安全監控系統的現狀與發展趨勢[J].煤炭技術,2008,(11):4-5．

[4] 張保華,李士寧,滕文星,張要偉.基于無線傳感器網絡的溫室測控系統研究設計[J].微電子學與計算機,2008,25(5):154-157.