基于物聯網的礦井安全檢測系統設計

李瑞華，喬玉峰，劉 峰

（1．榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000；2．中國聯通榆林分公司 陜西 榆林　719000）

基于物聯網的礦井安全檢測系統設計

李瑞華1，喬玉峰2，劉 峰1

（1．榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000；2．中國聯通榆林分公司 陜西 榆林719000）

為了解決目前煤礦安全監測系統存在的問題，加強煤礦安全監測的準確性、實時性。提出了基于物聯網體系框架的煤礦安全監測系統。該系統利用物聯網感知技術對礦井下的煤礦安全生產的自然因素的指標通過無線數據通訊的數據感知和采集，實現礦井安全監控系統架構，重點研究了礦井監測系統的物聯網架構、各無線節點接入技術的設計，從而提高煤礦安全監測的實時性和準確性。

物聯網技術；無限傳感網絡；匯聚節點；ZigBee

煤炭企業由于在地下作業，工作環境惡劣，工作區域狹窄、照明差、潮濕、存在有害氣體等很多不安全因素，致使煤礦安全事故頻發、傷亡嚴重［1］。為了有效的降低煤礦事故所帶來的損失，近幾年來，煤礦安全生產監控系統得到迅速發展。雖然目前我國大多數礦井已經安裝了安全監控系統，但都是基于實時監控，數據傳輸大部分采用的RS485/FSK中線樹架構或者“以太網與現場總線”模式［2］，采用私有的通訊協議進行信息的傳輸與交互，系統的數據融合主要通過上位機實現。

1　傳統煤礦安全監測系統分析

傳統的煤礦監測系統伴隨著采掘業的生產自動化與機械化的不斷推進，其生產環境和生產過程的管控模式發生重大變化，通過對傳統的煤礦安全監測系統拓樸結構如圖1所示進行分析。主要存在如下的突出問題：

1）煤礦安全生產監測監控系統中各子系統彼此獨立、自成體系，控制系統和管理系統不能實現聯動；對影響煤礦安全的環境因素都是基于離散點的監測，覆蓋面小，不夠靈活，存在著“信息孤島”現象，信息資源難于共享。

圖1　傳統的煤礦安全監測系統拓撲結構圖Fig．1　Structure of coal mine safety monitoring system of the traditional

2）不支持傳感器組網、缺乏傳感層面信息融合與綜合分析判定。傳統的煤礦安全監控系統的控制邏輯由分站和中心站完成，交叉控制執行時間為系統。

基于上述分析，本文提出基于射頻識別、無限傳感器網絡、新型傳感器等技術為一體的物聯網監測系統。

2　基于物聯網的煤礦安全監測系統的設計

2.1基于物聯網的煤礦安全監測系統架構設計

總體框架是煤礦安全監測系統的核心部分，基于物聯網的煤礦安全監測系統框架系體系如圖2所示，整個框架表示數據獲取、數據傳輸、數據存儲、數據處理、決策分析到信息發布的流程。

圖2　基于物聯網的煤礦安全監測系統體系架構圖Fig．2　Block diagram of coal mine safety monitoring system based on the Internet of things technology

1）傳感層功能：完成數據采集，采用RFID電子標簽、各種傳感器、視頻攝像頭、二維碼等對礦井采掘過程中的自然環境的各種影響因素如：溫度、濕度、CO、甲烷、礦壓、頂板壓力、粉塵、水位、電磁干擾、通風等進行實時采集。

2）傳輸層功能：實現數據傳輸，本架構采用有線和無線混合組網的模式，傳感層的有線網接口只要與骨干網絡、核心節點、關鍵節點之間的信息傳輸；無限網接口主要實現傳感設備、空間有線無法實現場所間的信息傳輸，是對有限網絡的必要補充。

3）持久層功能：實現數據的存儲，通過虛擬技術整合現有的計算、存儲、網絡資源進行數據的分析計算、數據存儲。

4）應用層功能：系統的監測、控制、預警功能，利用持久層的數據分析、計算實時提供礦井的安全指標狀態。

2.2基于物聯網的煤礦監測系統設計

煤礦物聯網安全監測系統關鍵技術主要有［3］：一是傳感曾的無線數據采集與感知；二是網絡傳輸層遠程智能化控制對采集到的數據，并進行數據分析、安全預警。

2.2.1系統硬件設計

傳感與控制模塊設計：數據采集與感知，主要通過溫度、濕度、甲烷、CO、通分、頂板壓力等傳感器實時感知獲取的數據傳送到ZigBee協調節點。

無限節點模塊設計：系統中各分層節點中通信模塊軟件設計包括 ZigBee網絡通信和串口通信兩部分［4］，其中ZigBee擴展協議主要針對低成本、低功耗的射頻應用部分的網管協調。

電源板：主要對無限節點與傳感控制等模塊連接，并實現系統供電。

礦井物聯網監控系統的硬件設計如圖3所示，其中MUC為主控系統，電池模塊實現系統的供電與連接，傳感器主要實現監測點的感知數據的采集與獲取，數據通過ZigBee網絡進行上下雙向傳送，PC實現持久層存儲的遠程數據分析，從而實現遠程控制、安全預警。

圖3　基于物聯網的煤礦安全監測系統硬件設計Fig．3　The hardware design of coal mine safety monitoring system based on Internet of things

2.2.2系統軟件設計

該系統的軟件設計主要包括：匯聚節點通訊模塊設計如圖4所示，匯聚節點屬于網絡管理者負責構建網絡分配通信地址完成ZigBee組網的角色，在組網過程中需要處理PanID沖突和信道沖突完成組網的功能［5］。

圖4　匯聚節點通訊模塊設計流程Fig．4　The design of sink node communication module

ZigBee傳感器、路由通訊程序設計如圖5所示ZigBee網絡通信的軟件設計用于驅動 CC2530硬件組建網絡，協調器設備（匯聚設備節點）分配給組網內部目標設備通信地址，路由設備路由附近傳感器節點到協調器實現數據鏈路，傳感器加入ZigBee網絡通過無線網絡通信傳輸采集數據［6］。

圖5　路由和傳感器通信模塊軟件設計Fig．5　Thedesign of Software aboutrouting and sensor communication module

3　結束語

基于物聯網的煤礦安全監測系統研究旨在礦井的生產過程中提高礦井的自動化、智能化，從而實現礦井生產的安全監測、行業的遠程監控、故障專家系統的識別、診斷與分析，實現安全預警。

［1］張雪平，楊興全．基于物聯網的煤礦安全監測系統研究［J］．電子測試，2014（22）:40-43．

［2］許金．基于物聯網的煤礦安全監控系統體系架構研究［J］．工礦自動化，2013，39（12）:97-100．

［3］QI Qing-zhong．Strategic thinking of the internet of things and M2M Sevices［J］．International Journal of Online Engineering，2013（993）:77-81．

［4］韓偉聰，俞新武，李忠成．基于CC2530及ZigBee協議棧設計無限網絡傳感器節點［J］．計算機應用，2011，20（7）:184-187．

［5］馬小平，胡延軍，繆燕子．物聯網、大數據及云計算技術在煤礦安全生產中的應用研究［J］．工礦自動化，2014，40（4）:5-9．

［6］齊立磊，王超．基于ZigBee的礦井無限傳感器網絡檢測系統設計［J］．煤礦機械，2013，34（9）:252-254．

Design of coal mine safety monitoring system based on the internet of things

LI Rui-hua1，QIAO Yu-feng2，LIU Feng1
（1.Scholl of Information Engineering，YulinUniversity，Yulin 719000，China；2.Yulin Branch of China Unicom，Yulin 719000，China）

In order to solve the existing problems of coal mine safety monitoring system，enhance the accuracy and the realtime monitoring of coal mine safety．The network of coal mine safety monitoring system based on the framework of the matter is be put forward．The system makes use of the Internet of things sensing technology of the mine safety production of the coal mine natural factor through the wireless data communication data sensing and acquisition，coal mine safety monitoring system architecture，the design focuses on the architecture of Internet of things is the mine monitoring system，the wireless nodes access technology，so as to improve the real-time performance and accuracy of coal mine safety monitoring．

internet of things；wireless sensor network；sink node；ZigBee

TN711

A

1674－6236（2016）02-0135-02

2015-04-07稿件編號：201504045

榆林市科技局科研項目（GY13-14）；陜西省教育廳項目（2013JK11151）

李瑞華（1978—），女，陜西綏德人，碩士，副教授。研究方向：數據挖掘、物聯網。