無線傳感器在煤礦開采中的應用研究

摘要：隨著科學技術的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)越來越成熟和完善，其先進的技術優(yōu)勢將會在眾多領域中得到應用。近些年來，在煤礦開采領域中事故頻發(fā)，傳統(tǒng)的煤礦檢測系統(tǒng)的弊端日益暴露，基于此，本文著重分析了無線傳感器在煤礦礦井中的應用，以便可以為煤礦領域提供有價值的參考。

關鍵詞：無線傳感器 煤礦 應用

近些年來，我國的煤礦事故時常發(fā)生，一旦出現(xiàn)重大煤礦事故，不僅失去大量的礦工人員的生命，而且還給煤礦企業(yè)和國家?guī)硪欢ǖ呢撁嬗绊憽Ｎ覈F(xiàn)有的煤礦井下的檢測系統(tǒng)還是傳統(tǒng)的有線檢測系統(tǒng)，這種檢測系統(tǒng)存在著一系列的弊端，比如說，它只能在礦井擴寬的場域方便使用，而在那些工人作業(yè)的采煤區(qū)域還不能夠完全地有效使用。有線監(jiān)控系統(tǒng)由于本身受布線區(qū)域的限制，當某一結點出現(xiàn)故障，會使局部區(qū)域失去監(jiān)測能力；并且有線檢測系統(tǒng)還存在布線復雜、監(jiān)測點和網(wǎng)絡結構相對固定，靈活性不足且擴展性差，系統(tǒng)部署和維護成本高等缺點[1]。可以這么說現(xiàn)有的有線檢測系統(tǒng)還難以滿足煤礦安全和應急預警和救援的需求。無線傳感器由于自身的特殊特點，比如說方便，能夠適應各種環(huán)境、檢測精確度較高和具有可靠性高等，在當前的煤礦開采中非常實用。

1 無線傳感器的系統(tǒng)設計

無線傳感器在煤礦開采中的檢測系統(tǒng)主要是由傳感器服務網(wǎng)絡、監(jiān)測控制中心、數(shù)據(jù)采集與分析以及傳送網(wǎng)絡和終端服務設備等部分組成，其可以用下圖來表示：

圖1 無線傳感器礦井應用示意圖

此無線傳感器系統(tǒng)主要在于無線傳感器網(wǎng)絡以及監(jiān)控中心，監(jiān)控中心主要有生產(chǎn)服務調(diào)度室、監(jiān)測計算機、服務器、以及遠程PC服務器組成。無線傳感器網(wǎng)絡主要負責收集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)測計算機主要用來接收分析并處理井下傳來的數(shù)據(jù)，服務器主要是用來存貯所有的數(shù)據(jù)及操作記錄。

2 無線傳感器在煤礦開采中的應用

2.1 無線傳感器的的數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)絡設計

2.1.1 無線傳感器使ZigBee技術。ZigBee技術是一種近距離、低成本、簡便、低消耗、低數(shù)據(jù)速率、高可靠性和高效率的雙向無線通訊技術，可以在特點環(huán)境中、實現(xiàn)某些近距離的各種數(shù)據(jù)的收集檢測以及對人員的實時跟蹤。它主要是由一組IEEE批準的802.15.4研發(fā)而來，IEEE 802.15.4 是一種低數(shù)據(jù)率的無線個域網(wǎng)標準，分別對物理層和介質(zhì)訪問層進行了界定。物理層規(guī)范確定了在2.4GHz以250kbit/s 的基準傳輸率工作的低功耗展頻無線電。介質(zhì)訪問層規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個802.15.4無線電信號如何共享空中通道，支持星型拓撲結構，樹型拓撲結構和網(wǎng)型拓撲結構。[1]ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡是由三種節(jié)點類型組成：主節(jié)點就是我們?nèi)粘Ｉ钪兴f的協(xié)調(diào)器，主要是由一個FFD組成，它是構成整個無線傳感器網(wǎng)絡的核心；路由節(jié)點就是無線傳感器網(wǎng)絡中的一個無線收發(fā)接受器，主要是負責轉發(fā)各種信息和維護網(wǎng)絡；終端節(jié)點設備是整個網(wǎng)絡中最基本的節(jié)點。

2.1.2 無線傳感器的網(wǎng)絡設計。由于煤礦礦井的特殊性質(zhì)和所存在的環(huán)境，無線傳感器網(wǎng)絡在井下采用網(wǎng)絡型拓撲結構的網(wǎng)絡設計可以更好地覆蓋井下的較多的區(qū)域。方便礦井下面各種危害數(shù)據(jù)的傳出，比如說：瓦斯的、二氧化氮的濃度和井下的濕度等多種重要的礦井下的數(shù)據(jù)有效地傳出。井下協(xié)調(diào)器網(wǎng)關主要負責井下網(wǎng)絡的建立與維護、控制井下各項命令的傳送以及井下各項參數(shù)的有效接受和傳出。增強型端設備和普通型端設備接有多種傳感器，負責各種參數(shù)的采集和發(fā)送；路由器主要負責把各種節(jié)點同時聯(lián)絡到整個網(wǎng)絡區(qū)域中，主要的責任是對端設備采集到的數(shù)據(jù)進行路由和消息轉發(fā)并把端設備的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器。[2]無線傳感器整個網(wǎng)絡的建立主要是由幾下幾個大的程序構成，首先，需要啟動整個網(wǎng)絡的核心協(xié)調(diào)器來建立網(wǎng)絡系統(tǒng)，然而通過路由器和終端設備構成整個網(wǎng)絡系統(tǒng)。

2.2 無線傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點設計

傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點設計在煤礦礦井開采中也是最關鍵的部分，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要是由各項數(shù)據(jù)的收集和各項數(shù)據(jù)的接受等兩個主要部門所組成的，他們基本都包含了原始化的工作程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序和數(shù)據(jù)接受程序。原始化的程序主要是對網(wǎng)絡系統(tǒng)的單片機、接連口、SPI和射頻芯片等進行處理；數(shù)據(jù)發(fā)送程序主要負責將傳感器收集到的各項信息進行預處理后形成基本的數(shù)據(jù)包，并通過單片機的SPI接口送至無線通信模塊射頻輸出；接受程序主要是對傳送過來的數(shù)據(jù)包進行接受并進行相應的處理。

3 小結

針對當前煤礦礦井在各項信息和數(shù)據(jù)收集方面所存在的缺陷，以至于由此所引發(fā)的事故也頻發(fā)，傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)在煤礦礦井中的弊端日益暴露，不利于當前深層次煤礦礦井的安全生產(chǎn)，本文基于上述問題，力圖設計出一種無線傳感器，無線傳感器在煤礦礦井中的應用，礦井上的工作人員實時地能夠對礦井下的各種危險信息進行及早的了解，及時地做好應急準備，這種無線傳感器可以不間斷地對礦井下的瓦斯、二氧化碳的濃度以及礦井下的濕度等各項參數(shù)進行收集并及時地傳送到礦井上面，可以防范各項潛在風險的發(fā)生。隨著無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，次技術在煤礦開采中的應用將會更加廣泛，將有助于實現(xiàn)煤礦領域的安全生產(chǎn)。

參考文獻：

[1]呂振，董璞.基于無線傳感器網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2010，26（10）：32—34.

[2]萬國峰，陳勝維，孫傳慶.基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].自動化與儀器儀表，2011，（6）：54—57.