基于物聯網的井下監控系統的分析與設計

戚艷軍+冀汶莉+李強

摘 要： 感知煤礦井下的工作環境是現代化煤礦智能管理的一部分。以物聯網為基礎的井下監測系統結合現有骨干網，提出了井下監控系統的體系結構和功能，分析監測系統中傳感器硬件設計及定位原理，在此基礎上闡述井下監控系統的特點。該井下監控系統可以為管理人員提供智能化管理和決策，避免和減少煤礦事故率，為緊急救援和生產決策提供依據。

關鍵字： 物聯網； 煤礦； 實時監控； 感知礦山

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0064?03

煤礦安全管理一直是煤礦企業一個重要的工作組成部分，相對于其他行業而言，由于煤礦生產環境惡略，安全問題較為突出。為了有效避免煤礦安全事故的頻發，需要建立有效的井下監控系統，對復雜的地質條件，包括通風、排水、壓力等基礎因素，井下人員定位等進行有效監控，保證煤礦生產安全進行。物聯網是在互聯網的基礎上，利用射頻標簽RDID與無線傳感器網絡WSN等技術，構建一個覆蓋世界上所有人與物的網絡信息系統。將物聯網技術融合入到煤礦井下作業，可實現對井下環境、生產人員的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，最終為煤礦安全生產管理決策的科學化、現代化和智能化服務。物聯網作為傳感器網絡的一個重要的應用領域，為煤礦安全開采和重大災害防治提供了新的思路和方法[1]。

1 系統分析

基于物聯網的井下實時監測系統可以根據井下實際條件，采用有線和無線相結合的接入方式，利用井下現有的工業以太網絡，將監測數據傳輸到主干網上。井下監測子系統包括感知礦山災害風險，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，實現對各種災害因素的預警預報。感知礦工周圍安全環境，對環境參數進行監測，如風速、溫度、壓力等，實現主動式安全保障。感知礦山設備的工作健康狀況，如設施開和關、設施的運行狀態等，實現預知維修。同時對井下礦工位置定位，確保對礦工日常工作的監測和災難撤離。

1.1 體系結構

井下監測系統是感知礦山的一部分，通過將井下的工作環境數據、設備人員數據、安全指標數據采用物聯網的3層體系架構，分別是管理層（應用層）、網絡層和感知層，如圖1所示。在圖1中，應用平臺屬于上層應用，包括井下環境監測子系統、災難預警子系統、井下人員定位子系統、設備工作狀況子系統、井下車輛定位子系統。管理人員可以通過監測對象指標預警圖、監測對象數據變化趨勢圖、統計報表圖表、視頻聯動、音頻聯動、報警聯動等可視化應用界面，實時監測井下工作環境及工作狀態。通過采集數據的綜合分析，結合多種方式、多種途徑的預警結果展示及通知，使得管理人員能夠預知災難，及時做出科學決策，防止重大災難的發生，即使事故發生，管理人員也可以采取有效措施開展施救工作。網絡層以地面骨干環網和井下主干環網為基礎，結合井下無線傳感網絡。井下無線網絡覆蓋硐室、變電所、泵房等重要工作場所。各個監測系統通過安裝在相應功能的傳感器形成監測數據采集的無線傳感網絡，監測數據通過無線網關接入到主干網中，由主干網絡完成信息的傳輸和數據的融合，并通過工業主干網絡接口將數據或決策信息傳輸到應用層。

圖1 井下監測系統網絡結構圖

感知層是組成井下監控系統的核心和基礎，由于井下地形復雜，需要監測的數據較多，同時網絡覆蓋面較大，且不便放置較大的電源模塊；因此，采用ZigBee無線網絡數據通信技術的星型拓撲結構可以較好的滿足井下監測的物理條件和生產條件。在各個監測點安監裝傳感器、無線網關、終端采集設備等，終端設備采集的數據，通過無線傳感器網絡將采集到的數據通過無線網關將數據送到井下主干網上。

1.2 網絡接口

井下監測系統中，管理層（應用層）、網絡層和感知層之間通過網關接口完成數據傳輸，有井下感知層與井下網關的接口、井下網關與主干網的接口，主干網與應用層的接口。感知層與無線網關之間的接口可以根據井下無線傳感網的特點，支持相關數據傳送。對于WSN等無線網絡，接口需要支持WSN等無線感知方式及協議；對于WiFi無線傳感網，接口需要支持WiFi無線感知方式及協議；而其他的有線網絡子系統，接口就需要支持煤礦有線子系統的接入。井下網關與主干網采用RJ45端口，主干網與應用層之間的接口采用工業以太主干網接口協議。

2 系統設計

2.1 系統架構

井下監控系統包括井下環境監測子系統、災難預警子系統、井下定位子系統、設備工作狀況子系統等。各個子系統通過三級網絡傳輸，將監測數據融入到井下監控數據庫中，子系統按照要求和規則，為用戶提供相關信息。環境監測子系統用于采集和分析井下環境參數，如風速、溫度、壓力等，可以根據實際情況，根據節點的工作范圍，將傳感節點安裝在環境監測點。災難預警子系統采集井下安全工作數據，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，對煤礦災難數據的變化進行監控。井下定位子系統可以通過安裝在定位節點（人員、車輛）上的定位模塊，該模塊記錄需要定位的基本信息以及ID編號，通過他們周圍的無線網絡，計算自身定位數據并最終傳輸到上層服務器。以GIS為信息載體框架，通過可視化界面直觀展示監控物體的位置，也能夠為工礦管理提供人員考勤信息。設備工作狀況子系統對工作設備狀態進行監控和管理，使得管理人員能夠及時了解井下工作設備的狀況。系統框架如圖2所示。

圖2 智能礦山體系結構圖

圖2中，各個無線監控子網絡將監控數據通過井下骨干網、井上骨干網，將采集的數據傳輸到智能礦上數據平臺的數據子庫中。該平臺對數據進行格式轉換、提供數據轉化的異常處理、對監測數據的任務進行控制和提供數據安全傳輸機制。同時，采用抽取?轉換?加載（Extraction?Transformation?Loading，ETL）工具，以智能數據平臺為數據源，按照監控主題，形成決策信息的數據集市，為井下監控決策數據倉庫的建立提供數據支持，通過對數據倉庫建立OLAP或采用OLTP對數據源進行分析，為煤礦管理人員提供科學的決策分析和災難預警信息。

2.2 傳感器節點硬件設計

上述井下監測子系統中的中心控制節點是一個性能比較強的傳感器節點，它由狀態檢測傳感器、電源模塊、晶振模塊、液晶顯示模塊、輸入/輸出模塊和發射天線來構成。采用ZigBee星型拓撲結構，已便適用煤礦井下環境干擾比較大、數據傳輸量較大的場合，處理器可以采用CC2430無線模塊，通過多個模塊以接力傳遞的方式最終把監測數據送至數據終端設備。對于不同的監測指標，可以采用不同的傳感器，如二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等；對于需要確定井下位置的相關系統，在需定位物上安裝CC2431無線定位模塊，與周圍的CC2430組成無線網絡定位系統，逐級、逐層將信息返回到應用層[2]。CC2430/CC2431可以滿足以Zigbee為基礎的2.4 GHz ISM波段對低成本、低功耗的要求。其電源經過穩壓、電容濾波后可以形成一個比較穩定的3.3 V電壓。發射天線采用一個非平衡天線連接非平衡變壓器，可以獲得較好的天線性能。傳感器硬件結構如圖3所示。

圖3 CC2430網絡體系結構及硬件組成

2.3 定位原理

CC2430和CC2431模塊的主要區別在于CC2431內部集成了一個定位跟蹤引擎，采用接收信號強度指示RSSI值測量定位點的位置。由于已知固定節點的位置，根據盲點的發射信號強度和固定接收節點接收到的信號強度，固定節點可以通過計算信號的傳輸損耗確定盲點位置[3?4]。在實際應用中，無線信號傳輸采用簡化的漸變模型（Shadowing Model）：

[[p（d）]dBm=[p（d0）]dBm-10nlg（dd0）] （1）

式中：p（d）表示距離發射節點為d時接收節點接收到的信號強度，即RSSI值；p（d0）表示距離發射節點為d0時接收節點接收到的信號功率；n是路徑損耗（Pass Loss）指數，在實際測量中得到，障礙物越多，n值越大。

無線定位網絡可以通過有效距離內的3～8個傳感節點組成，這些節點計算出某一個IP的RSSI值后，周期性地向發射節點發送包含自身IP、RSSI值、位置坐標的數據包并送入定位跟蹤引擎，當接收到同一個IP發射的數據包到達某一規定值后，校正RSSI值，得到某一節點接收到該發射點最終的RSSI值。計算式（1）中的d值，得到發射節點的距離，最后根據數據包的靜態節點位置坐標，計算發射點坐標值，得到該定位點的位置。

3 系統特點

基于物聯網的井下監測系統利用現有的主干網絡，將無線網絡技術與之融合，能夠有效的提高井下生產過程，提高煤礦企業自動化生產水平，利用物聯網技術感知礦山狀態和井下人員，進一步提高煤礦管理的現代化和智能化。該監測系統有以下特點：

（1） 采用ZigBee星型拓撲結構適用于環境干擾比較大、數據傳輸量較大的井下開采。無線網路完全覆蓋到井下，井下沒有網絡盲點，無線節點的間距大約在100 m，同時保證相鄰的節點在視線范圍內。在排水管、通風管等金屬管道處、拐角處、分岔路口等要增加節點，保證整個井下無線網絡傳輸質量。

（2） 提高了災難預警水平。對井下環境、災難數據進行實施監控，在應用層形成環境分析圖表，當井下環境達到災難臨界值時，發出預警信息，提高決策者對災難發生時的應急處理及分析決策能力，大大提高了煤礦安全生產水平，減少災難事故的發生和人員傷亡。

（3） 定位系統不但能夠對井下人員實施定位，同時也可以對井下人員進行考勤，提高工作效率；還可以監控井下車輛運轉情況；對于突發災難，可以及時了解人員位置，實施有效救援；整體提高和優化煤礦企業的安全生產水平和現代化管理水平。

（4） 系統應用層軟件及管理軟件采用人機交互界面，支持煤礦生產設施的遠程監護和遠程維護，從而確保井下生產安全可靠運行。

（5） 將采集的數據集成到各個子系統業務庫中，可以為智能礦山數據倉庫提供數據源，進一步的煤礦智能決策支持系統的決策數據倉庫的決策數據層。

4 結 語

以物聯網為基礎的井下監控系統的設計，涵蓋了井下生產、安全和管理的各個方面。采用現有主干網絡結合通信技術、自動控制技術、網絡技術、現代管理方法，為井下作業的人員安全、生產過程、運行管理提供了現代化的智能管理方法。為煤礦企業的安全平穩運行、生產效率提高、管理水平的改進提供了現實基礎，增加煤礦企業的核心競爭力。該系統架構及數據采集方案已經成功運用到煤礦智能決策支持系統的前期建設中，實踐證明，該方案切實可行，可避免系統后期的重復建設。

參考文獻

[1] 孫超，周孟然，王亞清.基于Zigbee技術的礦上監控及巡邏系統[J].煤炭技術，2011，30（5）：180?182.

[2] 劉洋，楊潔明.基于CC2431的井下人員定位方法研究[J].煤礦機械，2010（6）：49?51.

[3] 宋春陽.無線傳感器網絡的節點自定位技術[J].大眾科技，2010（9）：36?37.

[4] WANG Ruigang. Main character and basic theory for Internet of Things [J]. Computer Science， 2012， 39（6A）： 201?206.

[5] ZHU Xiaosong. A novel integration of wireless sensor networks and internet [J]. Computer Engineering， 2006， 32（13）： 106?112.

[6] TSAI Hsin?Mu， TONGUZ O K， SARAYDAR C， et al. Zigbee?based intra?car wireless sensor networks： a case study [J]. IEEE Wireless Communications， 2007， 14（6）： 67?77.

[7] WANG Xin， ZHOU Tingzhen， ZHAO Duan. Research and realization of real time location system in coal mine based on Internet of Things [J]. Coal Mine Machinery， 2011， 32（12）： 65?68.