礦用透水事故水聲通信救援系統研究

齊俊艷 王磊 喬莉

摘 要： 礦井透水事故發生后，通信系統往往會因為遭到破壞而中斷，井上井下無法及時聯系，從而影響救援工作的開展。為了解決這一問題，提出一種用于礦用透水事故救援的應急水聲通信系統。給出系統設計的總體結構圖、硬件框圖以及系統功能實現的軟件流程圖，詳細介紹了系統包含的三類節點：浸沒水里的節點、浮在水面的節點和陸地節點。分析表明，該系統能夠在透水事故發生時為井上井下人員提供有效的應急通信途徑，確保救援工作有效開展。

關鍵詞： 礦井透水； 水聲通信； 應急通信； 救援； 節點； 無線傳感網絡

中圖分類號： TN91?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0025?05

Abstract： After the mine water flooding accident， the acoustic communication system may be destructed， and then interrupted， the miner under or above the well can′t be contacted in real time， which affects the rescue work. An underwater acoustic emergency communication system for mine water flooding accident rescue is proposed to solve the above problem. The overall structure diagram and hardware block diagram of the system design， and software flowchart of the system function realization are given. Three kinds of nodes contained in the system are introduced in detail， including node submerged in the water， node floating above the water and land node. The analysis result shows that the system can provide an effective emergency communication channel for the staff under or above the well， and ensure the rescue work effectively while the system suffers from the water flooding accident.

Keywords： mine water flooding； underwater acoustic communication； emergency communication； rescue； node； wireless sensor network

0 引 言

煤礦是我國的主要能源，受我國煤礦復雜地形限制，透水事故頻繁發生。從歷年來發生的煤礦透水事故來看，事故一旦發生，井下全部電力供應需要切斷，這直接導致礦井下各個通信設備無法正常使用，致使受困人員無法和地面救災指揮部、井下救護基地取得及時有效的聯系，從而造成大量的財產損失和人員傷亡。例如，山西王家嶺煤礦透水事故、榨里一號井 “8.16”透水事故、龍南縣大羅煤礦“5.1” 透水事故等有線監控因切斷電力不能正常使用，導致受困人員無法與井上取得有效聯系，未能進行及時營救[1?3]。河南省支建煤礦發生透水事故，所幸通信線路沒有中斷，使用井下一部電話與井上人員取得了聯系，才使營救人員了解了井下情況，保住了69名礦工的生命，這是歷次救援所沒有的[4]。針對有線監控的缺陷，研究者們陸續提出基于無線傳感器網絡的煤礦安全監控系統，此類無線傳感器網絡使用的均是ZigBee節點。ZigBee是一種低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術[5]，它的優點使得其在煤礦下得到廣泛的應用。如基于無線傳感器網絡的煤礦安全監測監控系統，基于ZigBee無線傳感器網絡的煤礦監測系統等無線監控系統[6?7]。當煤礦下發生透水事故時，這些節點雖不受切斷電力的影響，但因均采用無線電波進行消息傳輸，被水淹沒的節點無法進行信息傳輸，這就導致整個網絡失效，以至井下情況無法及時地傳到井上救災指揮部。

因此，透水事故一旦發生，有效的煤礦井下應急通信技術裝備具有重要的價值。本文提出一種用于礦井透水事故水聲通信救援系統。當發生透水事故時，利用該系統實現井上井下人員的有效聯絡，確定井下人員所處環境狀況及安全狀況，給井上救援人員提供井下受困人數、生命體征、所處位置等精確信息，實現災害環境下井上井下人員的有效通信，從而有針對性地開展救援工作。

1 系統總體設計

本文研究的礦用無線水聲通信救援系統，考慮到透水事故發生后，巷道會出現有水區域或者無水區域兩種情況。因此，為了適應這兩種情況，該通信救援系統需充分利用水聲通信與ZigBee技術結合設計通信節點以滿足不同現場情況的技術方法。透水事故發生后，在無水區域采用事先布放好的ZigBee網絡進行信息傳遞，而有水區域就復雜一些，可分為巷道灌滿水和部分有水兩種情況，即有些時候水會灌滿整個巷道，而有些時候可能只會集中在低洼區域，在這樣的區域需要采用水聲通信技術完成信息傳遞。本文將水聲通信技術[8]與無線傳感網絡技術[9?10]相結合，重點研究通信節點的開發。

設計的礦用無線水聲通信救援系統總體框圖如圖1所示。系統主要由井下人員便攜的陸地移動無線傳感網絡節點、用于將采集到的陸地無線信號和水下聲波信號進行轉換傳輸的陸水信號轉換節點、水下通信傳感網絡節點和地面遠程控制管理中心構成。正常情況下，系統中的節點可以監測節點附近的瓦斯濃度、溫度、濕度等信息，作為基本監測設備使用。但當透水事故發生，煤礦內出現不同深度的水時，漂浮在水面上的水聲換能節點2，5，7立刻由睡眠狀態變為喚醒狀態，迅速與水里節點1，3，4，6和陸地節點8，9進入組網狀態，組網完成后，各個節點就能實現信息互傳。井下人員可能處在不同的位置，有部分人員可能在救生艙，提前部署在救生艙的節點與井下人員的手持設備進行通信，井下人員通過手持設備把自己的位置、身體狀況等信息傳輸至井上的遠程控制管理中心；有部分人員可能站在高處，井下人員身上的手持設備與提前部署在附近的節點進行通信，最終把自己所處的位置、身體狀況、環境狀況等信息通過節點1傳輸給節點2，節點2傳輸給節點3，……，這樣進行多跳傳輸，最終把信息傳輸至井上的遠程控制管理中心。在部分有水的情況下，一方面，陸地移動無線傳感器網絡節點通過與水中的通信節點組網將消息傳輸至井上的遠程控制管理中心；另一方面，陸地移動無線傳感器節點與陸水信號轉換節點進行通信，將信號傳輸至水下通信傳感網絡節點，以多跳的方式進一步傳輸至遠程控制管理中心[6]。在巷道灌滿水時，則不能采用陸地無線傳輸的方式，那么就只能通過陸地移動無線傳感器網絡節點、陸水信號轉換節點、水下通信傳感網絡節點組網，最終以多跳方式將信號傳至遠程控制管理中心[7]。

2 節點設計

2.1 井下人員便攜的嵌入式移動無線傳感網絡節點

井下人員便攜的嵌入式移動無線傳感網絡節點包括用于采集環境參數信息的數據采集模塊、數據處理模塊和無線模塊。數據采集模塊的信號輸出端與數據處理模塊的信號輸入端連接，數據處理模塊與無線模塊雙向通信連接。數據采集模塊包括溫濕度傳感器、瓦斯濃度傳感器，數據處理模塊采用STM32F107芯片實現，無線模塊采用CC2531用以傳輸ZigBee信號[8?9]。除此之外，該節點還包括語音模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊、晶振電路、復位電路、電源，節點框圖如圖2所示。其具體工作原理為：節點由井下人員隨身攜帶，正常情況下能夠采集人員附近的瓦斯濃度、溫度、濕度等信息，作為基本監測設備使用[10]。一旦有透水事故發生，部署在距離最近的水聲換能設備發射災難預警信號，該節點收到預警信號后，迅速進入組網狀態，組網完成后，各個節點就能實現信息互傳[11]。井下人員根據自己收到的其他人員發來的信息了解不同地點的災害情況，從而發布自己的信息，節點根據事先存儲的井下地圖信息確定安全的逃生路線，找到就近的避難場所。此外，所有節點發送的信息逐跳傳輸，最終匯聚到吸收節點[12]，該節點為特殊的水聲換能器模塊，分為固定和移動兩類。固定節點由生產單位按照提出的拓撲結構提前布放在相關地點[13]，移動節點由救援人員按需布放，用于收集井下人員發送的信息及向井下發布指令信息。

2.2 水聲換能器節點

水聲換能器節點包括數據采集模塊、數據處理模塊和無線模塊。數據采集模塊的信號輸出端與數據處理模塊的信號輸入端連接，數據處理模塊通過無線模塊與水聲換能器雙向通信連接。數據采集模塊包括溫濕度傳感器、瓦斯濃度傳感器。數據處理模塊采用STM32F107芯片實現，無線模塊采用CC2531用以傳輸ZigBee信號。除此之外，該節點還包括功率放大器、晶振電路、復位電路、電源，該節點還具有ZigBee信號接收與發送、超聲波信號發送與接收、水聲通信組網、ZigBee通信組網、事故檢測觸發喚醒等功能，節點框圖如圖3所示。其具體工作原理為：該節點被立體布置在礦井不同高度的位置，具有濕度、水位綜合檢測功能。平時為了節省能量，節點處于睡眠狀態[14]，當檢測到有透水事故發生后，漂浮在水面上的模塊立即由睡眠狀態進入喚醒狀態，作為換能器開始工作，將接收到的ZigBee信號轉換成水聲信號。同理，該模塊接收其他模塊發送過來的水聲信號，將其轉換為ZigBee信號，即模塊作為無線網絡的吸收節點使用[15]。

2.3 水聲通信傳感網絡節點

如圖4所示，該節點主要包含傳感單元（由傳感器和模數轉換功能模塊組成）、處理單元（包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等）、通信單元（由聲學調制解調器Modem組成）以及電源4個核心組件。信號傳感單元和通信單元均與處理單元連接，處理單元通過通信單元與其他的水聲通信節點連接。

圖5所示為該節點的一種具體實現方式，該節點包括順次連接的A/D轉換器、電平轉換模塊、通信模塊及D/A轉換器。A/D轉換器用于連接模擬信號輸入，D/A轉換器用于連接模擬信號輸出。通信模塊的信號輸入及輸出端連接有對應的CDMA解調及CDMA調制模塊，用于對相應信號進行轉換處理。節點通過自組織方式構成無線網絡[16]，以協作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋礦井區域的信息，并通過多跳自組網方式將數據經由換能器節點（Sink節點）傳送到遠程控制管理中心。

3 組 網

協調器建立網絡[17]，程序運行至網絡初始化函數時會產生一個ZDO_NETWORK_INIT事件，此后調度程序會在ZDO層任務函數中對網絡初始化事件進行處理，并最終通過調用設備啟動函數ZDO_StartDevice（）進行設備啟動操作。ZDO_StartDevice函數根據邏輯設備類型、啟動模式、信標事件、超幀長度等啟動參數選擇調用網絡形成函數或調用網絡發現函數。如果為協調器設備，則通過網絡層網絡形成請求函數進行網絡創建申請；如果為路由設備或者終端設備，則執行網絡層網絡發現函數NLME_Network Discovery Request（）進行網絡發現。確定為協調器之后，網絡層利用MAC層進行信道能量掃描，選擇能量最弱的，也就是ZigBee設備最少的信道。網絡創建結果由網絡形成請求確認函數交由ZDO層進行處理，網絡形成成功則對設備網絡狀態進行更新，形成失敗則繼續產生ZDO_NETWORK_INIT事件，重新發出網絡形成請求。組網完成后，一方面，陸地移動無線傳感器節點與陸水信號轉換節點進行通信，將信號傳輸至水下通信傳感網絡節點，再以多跳的方式傳輸至陸水信號轉換節點，該模塊將接收到的水聲信號轉換成ZigBee信號，通過串口傳輸至遠程控制管理中心；另一方面，陸地移動無線傳感器節點與陸水信號轉換節點進行通信，陸水信號轉換節點將信號通過串口傳送給STM32F107芯片進行處理后，發送給無線收發裝置進行傳輸。整個網絡組網算法流程圖如圖6所示。

4 結 論

本文研究了礦用無線水聲通信救援系統，充分利用陸地移動無線傳感器網絡節點、陸水信號轉換節點和水下通信傳感網絡節點，將無線傳感網絡技術和水聲通信技術相結合，組建用于透水事故發生時應急通信的傳感網絡，實現在礦井電力中斷的情況下，井上井下人員之間的通信聯絡，從而有效地開展救援工作，避免大量人員傷亡和財產損失，具有很大的應用前景。

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