云計算與無線傳感網絡在礦井瓦斯檢測中的應用研究

劉志剛

(唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063020)

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云計算與無線傳感網絡在礦井瓦斯檢測中的應用研究

劉志剛

(唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063020)

快速準確地檢測礦井瓦斯涌出量并提前預警是礦井安全生產的重要保障。文章根據云計算和無線網絡技術的特點，提出了一種基于云計算和無線傳感網絡的礦井瓦斯檢測預警系統，無線傳感網絡負責井下瓦斯數據的采集，而分散的、復雜的預測模型計算交由云端處理，不僅可以更快速、更準確地測得瓦斯濃度，而且簡化了現場檢測設備。

云計算；無線傳感網絡；礦井；瓦斯檢測預警系統

0 引言

煤層瓦斯又稱煤層甲烷，是一種儲存于煤層中及鄰近巖層中的自生自儲的非常規天然氣。據相關報道，我國由瓦斯爆炸引發的礦難在每年發生的礦難中占絕大多數。對煤層瓦斯涌出量進行快速、準確、可靠的檢測對于避免瓦斯爆炸礦難、減少礦工人員傷亡、降低經濟損失具有重要意義，是煤礦企業安全生產的重要保障。

隨著科技的發展，越來越多的科技手段不斷融入煤礦安全生產和煤礦安全監測系統之中。云計算是一種基于Web的服務，已經在很多領域廣為應用，將繁瑣、復雜的模型計算交由配置更先進的云端處理成為一種發展趨勢，云端共享成熟的預測模型軟件服務，能為各企業節省硬件成本，實現資源的合理配置。煤炭生產企業只需通過符合標準的方式接入云系統即可將資源切換到需要的應用上，而無需購買網絡存儲、服務器等硬件設備，也不必構建自己的數據中心，不僅可節約大量成本，同時能提高企業的安全生產系數[1]。

1 整體設計方案

目前少數煤礦企業對瓦斯氣體的檢測采取由專人手持檢測設備每班定時多次檢測的方式，或在井下安裝有線瓦斯監測設備。手持設備由于體積大、成本高，無法實現每人隨身配備；而有線檢測設備需隨著井下開采不斷調整設備的線纜，井下開采的復雜環境給有線檢測設備的安裝帶來諸多不便。為此筆者提出一種基于云計算、無線傳感網絡的多技術融合的礦井瓦斯檢測預警系統，系統設計結構如圖1所示。

圖1 基于云計算、無線傳感網絡的礦井 瓦斯檢測預警系統結構圖

此系統的操作特點是：由檢測人員用手持無線傳感器節點設備或在某些特定的采樣點安裝無線傳感器節點來采集瓦斯濃度值。無線傳感器終端節點將瓦斯濃度信息經路由節點匯集到協調器節點，協調器通過串口把數據存放于各被測節點服務器上。每個煤礦開采企業可能有一個或多個被測節點，圖1所示的系統對應于一個被測節點服務器，開采企業的中央控制室(簡稱中控室)可以實時收到各被測節點上大量的樣本數據參數，供企業管理人員參考。與此同時，中控室服務器通過Internet將樣本數據參數傳送到云端。云端計算機根據各采樣節點采集到的瓦斯濃度樣本數據進行學習和計算，經過基于人工神經網絡(或其他人工智能算法)的瓦斯濃度預測控制算法，對各被測節點的瓦斯濃度進行分析，快速、準確地得出被測礦井瓦斯的涌出量，并將預測值返回給企業。此系統可最大化發揮各項技術的優點，使資源得到合理配置，并對煤礦的安全生產、設計建設產生重要的影響。

2 硬件設計

Zigbee技術是近些年新出現的WAN通信技術，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。

Zigbee協議棧符合IEEE 802.15.4標準和MAC層技術規范。Zigbee的傳感器終端節點包括瓦斯檢測傳感器、8051 CPU、CC2530射頻模塊、ADC、USART等，支持Zigbee協議棧。圖2為礦井瓦斯檢測無線傳感器節點硬件原理圖。

圖2 礦井瓦斯檢測無線傳感器節點硬件原理圖

瓦斯濃度可使用催化燃燒式氣敏元件來檢測[2]，經CC2530內部的A/D轉換送入8051CPU，無線射頻模塊發送到無線協調器節點，由企業服務器經網絡傳入云平臺。終端節點硬件電路如圖3，圖4所示。

3 系統軟件設計

圖5為礦井瓦斯檢測協調器與終端節點的軟件流程圖。系統在完成軟硬件初始化后開始建立新的網絡，掃描各信道，當有傳感器節點加入網絡時，系統的路由節點為其選擇一個網絡標識符從而建立傳感器網絡，傳感器節點上傳的數據再由網關節點上傳至云計算平臺計算機，往復循環。

無線傳感終端節點部分主要程序如下：

void GenericApp_Init(byte task_id){GenericApp_TaskID=task_id；//任務優先級進行初始化(任務優先級由協議棧的操作系統OSAL分配)。GenericApp_NwkState=DEV_INIT；//初始化設備狀態為DBV～INTT，表示該節點沒有連接到ZigBee網絡。

GenericApp_TransID=0；//初始化發送數據包的序號為數據包，該發送序號自動加1(協議棧里面的數據發送函數會自動完成該功能)，接收端由接收數據包的序號計算丟包率。

GenericApp_epDesc.endPoint=GENERICAPP_ENDPOINT；

GenericApp_epDesc.task_id=&GenericApp_TaskID；

GenericApp_epDesc.simpleDesc1.=(SimpleDescriptionFormat_t)&GenericApp_SimpleDesc；

GenericApp_epDesc.latencyReq=noLatencyReqs；

afRegister(&GenericApp_epDesc)；}//使用afRegister函數將節點描述符進行注冊。

圖3 礦井瓦斯檢測無線傳感器節點CC2530模塊原理圖

圖4 礦井瓦斯檢測無線傳感器節點外部接口原理圖

UINT16 GenericApp_ProcessEvent(byte task_id，UINT16 events)//消息處理函數。

{afIncomingMSGPacket_t*MSGpkt；

if(events & SYS_EVENT_MSG){MSGpkt=

(afIncomingMSGPacket_t*)osal_msg_receive(

GenericApp_TaskID)；

while(MSGpkt){

圖5 礦井瓦斯檢測協調器 與終端節點的軟件流程圖

switch(MSGpkt->hdr.event)

{case ZDO_STATE_CHANGE：

GenericApp_NwkState=(devStates_t)(MSGpkt->hdr.status)；

//讀取設備類型。

if(GenericApp_NwkState==DEV_END_DEVICE)

{GenericApp_SendTheMessage()；}//對設備類型進行判斷，如果是終端節點，那么就執行GenericApp_SendTheMessage()函數，發送數據函數。break；default：break；}

void GenericApp_SendTheMessage(void){AF_DataRequest(&my_DstAddr，&GenericApp_epDesc，GENERICAPP_CLUSTERID，3，theMessageData，

&GenericApp_TransID，AF_DISCV_ROUTE，AF_DEFAULT_RADIUS)；}；//調用發送函數，實現數據的發送。

當協調器接收到數據后，操作系統會將該數據封裝成一個消息，然后放入消息隊列中。每個消息都有自己的ID，根據switch(MSGpkt->hdr.event)，協調器查看有無數據接收消息，然后調用相應的處理函數[3]。

4 結語

無線傳感網絡技術由于自身的特點可以方便地將井下開采時影響瓦斯涌出量預測的各物理參數采集、匯總，省去布線、安裝等諸多不便，使快速、準確地預測井下瓦斯涌出量成為可能，大大降低由于井下瓦斯爆炸帶來的人員傷亡和財產損失。應用基于云計算和無線傳感網絡的礦井瓦斯檢測預警系統，現場工作人員只需用手持移動設備或在中控室即可將所需數據上傳，完成實際的預測工作。云計算與無線傳感網絡等技術的結合為煤礦安全監控系統的設計與開發提供了新思路。

[1] 李昊旻，盧建軍，衛晨.基于云計算的煤礦安全監測預警系統研究[J].工礦自動化，2013，39(3)：46-48.

[2] 安小翠.基于ZigBee和以太網的礦井安全檢測系統硏究[D].太原：太原理工大學，2012.

[3] 王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2013：59-60.

(責任編校：李秀榮)

The Application of Cloud Computing and Wireless Sensor Network in the Detection of Coal Mine Gases

LIU Zhi-gang

(Department of Mechanical and Electrical Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Rapid and accurate detection of the mine gas emission is essential for the safety production in coal mines. Based on the characteristics of cloud computing and wireless network technology， the author of this paper puts forward a mine gas detection and alarm system， in which a wireless sensor network is applied to obtain the gas data， and the dispersed and complex prediction model calculation is committed to the cloud. This system is characterized by fast and more accurate measurement of the gas concentration and simple equipment.

cloud computing； wireless sensor networks； mine； gas detecting and alarm system

劉志剛(1979-)，男，河北唐山人，講師，碩士，主要從事計算機測控研究。

TD76；TD712

A

1672-349X(2016)03-0061-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.016