基于WSN的煤炭地質災害監測系統設計

宋文波 王健

摘要：針對煤礦地質災害頻發、破壞力強、監測難度大等問題，提出了基于WSN的煤礦地質災害監測系統。結果表明，該系統采用Zigbee模塊構建無線傳感器網絡，搭配MPU-9250（九軸運動感測組件）、土壤溫濕度傳感器、雨量傳感器等設備，能夠有效監測滑坡、地面塌陷、地裂縫等災害。無線網絡數據可以通過NB-IOT網關傳輸到系統監測平臺，方便對煤礦區域遠程實時監測。該系統具有高性價比、低遲延、易擴展以及準確性高等特點，可以在煤礦地質災害監測方面發揮較大作用。

關鍵詞：煤礦地質災害;WSN;Zigbee;實時監測

中圖分類號：TD672 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）10-0145-005

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.10.034 ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract：In view of the frequent occurrence， strong destructive power and difficult monitoring of coal mine geological disasters， the WSN based coal mine geological disaster monitoring system was proposed. The system used Zigbee module to build wireless sensor network， and MPU-9250 （nine axis motion sensing module）， soil temperature and humidity sensor， rainfall sensor and other equipment， which could effectively monitor landslides， ground collapse， ground cracks and other disasters. Wireless network data could be transmitted to the system monitoring platform through NB-IOT gateway， which was convenient for remote real-time monitoring of coal mine area. The application showed that the system has the characteristics of high cost performance， low delay， easy expansion and high accuracy， which could play a greater role in the monitoring of geological disasters in coal mines.

Key words： geological disaster of coal mine; WSN; Zigbee; real time monitoring

煤礦地質災害作為常見的地質災害，影響著煤礦產業的發展[1]?；隆⒌孛嫠?、地裂縫等災害一旦發生便會嚴重危害人民的生命財產安全。近年來，社會各界對煤礦地質災害的重視程度不斷增強，借助高新技術手段可將災害扼殺于萌芽之中。因此，衛星遙測、GPS、GIS以及三維激光掃描等技術均應用至煤礦地質災害監測中，但監測成本、覆蓋面、準確度、實時不間斷等問題限制了這些技術的推廣[2]。

滑坡、地面塌陷、地裂縫等災害是煤礦地質災害中最為常見的，發生前兆大多表現為土壤位移、振動、傾斜，且發生時常伴隨降雨、融雪、地表水浸泡沖刷等[3]。監測煤礦地質災害需要實時監測礦山或采空區的環境溫濕度、降雨量、地下水位以及各層土壤的傾斜角度等信息。但由于礦區一般覆蓋范圍較廣，傳統的方法很難全面監測，因此本研究提出了一種基于WSN（Wireless sensor network，WSN）的煤礦地質災害監測系統[4]。該系統利用Zigbee無線網絡自組網、多跳的特點，可以輕松實現大面積的覆蓋;使用高性價比MPU-9250（九軸運動感測組件）測量土壤位移、運動情況;利用溫濕度傳感器、雨量傳感器等采集環境信息，最后利用NB-IOT（Narrow band internet of things）網關實現數據的遠程傳輸，實現整體實時監測[5，6]。

1 ?系統總體設計

煤礦地質災害監測系統主要由Zigbee監測網絡、NB-IOT網關以及監測平臺組成，系統結構如圖1所示。由于監測范圍較廣，Zigbee網絡節點數量較多，整個網絡由傳感器節點、路由節點以及協調器節點組成。傳感器節點主要負責環境信息以及土壤位移信息采集;路由節點負責數據收集轉發;協調器節點負責數據匯總處理，并將數據傳遞給NB-IOT網關;網關將數據發送到遠程監測平臺。監測平臺可以實現傳感器信息顯示、存儲以及分析，并能夠在平臺上進行報警設置，同時在平臺中能夠實時查看無線網絡狀態，便于系統維護。

2 ?系統硬件設計

系統硬件設計主要集中在WSN節點、NB-IOT網關以及傳感器模組，其中WSN節點和NB-IOT網關是關鍵。WSN節點根據功能可以分為終端節點、路由節點以及協調器節點，其中終端節點與傳感器模組連接，負責采集所需要的環境信息，路由節點主要負責數據轉發，協調器節點負責數據匯總。3種節點雖然分工不同，但其硬件基礎基本一致，此外除協調器單獨采用外部電源供電外，終端節點和路由節點均采用干電池供電，所以終端節點和路由節點要采用低功耗設計。此外，由于各節點和模組均是在野外露天作業，在設計時防水、防塵等措施也是重要參考因素。

2.1 ?WSN節點設計

系統的無線傳感網絡是基于Zigbee網絡構建而成，在進行節點設計時，綜合多方因素采用了TI（德州儀器）公司的CC2530F256芯片作為節點的處理器。CC2530F256芯片內置增強型8051內核，中斷、ADC、I/O串口等資源非常豐富，能夠滿足設計需要，此外該款芯片功耗非常低，可以切換工作、休眠等多種工作模式，非常適合野外長時間作業。

系統設計的WSN節點主要有3種：協調器、路由器、終端節點，3種節點雖然功能不同，但硬件主板基本一致，只有終端節點預留了部分傳感器接口，路由器單純是數據轉發功能，不需要外接其他設備，協調器由于需要外接網關，因此預留RS232接口。CC2530核心板電路如圖2所示，僅需極少的外圍器件便可以正常工作，CC2530核心板工作頻率為32 MHz，能夠滿足傳感器數據采集、數據處理及數據轉發的需求。終端節點和協調器節點只需在核心板的基礎上進行擴展接口即可，系統可擴展性較強。

2.2 NB-IOT網關設計

NB-IOT網關主要實現Zigbee網絡與電信網絡的互聯互通，將Zigbee網絡收集的數據信息發送給監測平臺。NB-IOT以其覆蓋廣、連接數量大、功耗低、性價比高等特點被廣泛應用。該系統選用NB-IOT進行網關設計，便是基于其上述優點，因為在煤礦區域，地形一般較為復雜，信號連接需要非常穩定才能夠做到實時不間斷監測。

該系統選用穩恒科技的WH-NB73-BA多頻段NB-IOT模塊。該模塊能夠實現UART轉NB-IOT雙向透傳功能，國內網絡全覆蓋，并且在全球主流區域都支持。由于系統在野外工作，選擇了外置天線和SIM卡，Zigbee網絡協調器直接通過串口與NB-IOT模塊連接，NB-IOT模塊將數據直接傳送到電信IOT平臺，系統的監測平臺可以直接從電信IOT平臺上獲取相關數據。網關工作示意圖如圖3所示。

2.3 傳感器模組設計

由于煤礦地質災害多由降雨、融雪、地震等引起，且發生前土壤和巖層會發生位移，所以模組在設計時主要采集的信息有降雨量、空氣溫濕度及不同深度土壤、巖層的傾斜與位移情況，也就涉及到雨量傳感器、空氣溫濕度傳感器以及位移傳感器。

首先，雨量傳感器選擇。由于降雨一般具有一定的覆蓋范圍，所以在布置雨量傳感器時僅需要在被測區域平均布置幾個，不用大范圍布置。其中雨量傳感器采用SRY-1型容柵式雨量計，是通過容柵位移傳器檢測降雨量的，采用脈沖信號輸出雨量值，雨量分辨率為0.1 mm，直接利用CC2530控制器采集脈沖信息獲取雨量值，能夠滿足系統需求。

其次，空氣溫濕度傳感器選擇?？紤]到設備均安裝到室外地質災害易發的位置，特別選擇HSTL-102WS防水型溫濕度傳感器，其輸出信號為4～20 mA電流信號，簡單轉換便可利用CC2530控制器A/D讀取，其測量范圍為相對濕度0%RH～100%RH、溫度40～120 ℃，能夠滿足系統設計需要。

傳統采用傾角傳感器來測量土壤、巖層傾斜及位移，但傾角傳感器整體價格較高，因此選擇高性價比MEMS慣導器件來代替傾角傳感器。系統選擇MPU-9250（九軸運動感測組件）來測量土壤和巖層的傾斜角及位移。此外在測量時，需要測量不同深度的土壤位移情況，為節省資源，利用SPI總線在同一總線上掛載多個MPU-9250。圖4為多個MPU-9250掛載于同一SPI總線的示意圖。系統整體硬件框圖如圖5所示。

3 ?系統軟件設計

監測系統的軟件設計由嵌入式程序設計和監測平臺程序設計兩部分組成，其中嵌入式程序主要是Zigbee組網程序設計和傳感器信息采集程序。嵌入式程序開發平臺為IAR，監測平臺采用C#進行開發，數據使用SQL Server進行維護管理，同時監測平臺開發過程中還需調用第三方云平臺的相關接口，來獲取NB-IOT傳輸的數據。

3.1 嵌入式端程序設計

嵌入式端最重要的程序部分便是Zigbee組網。Zigbee組網是整個無線傳感器網絡的基礎，也是系統軟件設計的重點。根據系統需求已設計了3種不同節點，分別為協調器、路由器以及終端節點，其中協調器負責組建網絡，路由器以及終端節點主動加入協調器組建的網絡。

其中協調器在組建網絡時，首先要掃描節點周邊是否存在Zigbee網絡，如果沒有，協調器將會進行信道掃描，選擇信道號，繼而設置網絡ID，完成構建Zigbee網絡，等待其他節點加入即可，圖6為協調器組網流程。其他兩種節點在加入網絡前，首先掃描到附近的網絡，然后向網絡協調器發出入網請求，協調器接收到請求后，允許其連接，為其發送響應，節點于協調器建立好連接后，才能夠正常收發數據。

傳感器信息采集程序也是嵌入式編程的重要部分。雨量傳感器輸出的信號為脈沖信號，通過對脈沖信號計數便可得到雨量值，利用CC2530定時計數器便可完成信號檢測，簡單方便。HSTL-102WS防水型溫濕度傳感器返回的信號為4～20 mA電流信號，經過采樣電阻后轉換成0～3.3 V的電壓接入單片機管腳。由于僅需要一路AD便可完成采集，所以程序設置單片機單通道工作。

MPU9250信號讀取是嵌入式編程的關鍵，MPU9250內含三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計，直接讀取的信號中磁力信息、加速度信息往往含有許多高頻噪聲，相反的陀螺儀又多包含低頻噪聲，容易發生漂移現象。因此，需對MPU9250進行姿態融合/濾波、校正、坐標轉換、濾波。

獲取MPU9250器件的九軸數據，對原始數據進行濾波去噪，接著對傳感器進行校正，使數據變得準確，接著利用四元數對姿態進行解算，最后利用卡爾曼濾波算法對數據進行融合，得到姿態信息，具體過程如圖7所示。

3.2 監測平臺軟件設計

采用C#進行系統監測平臺軟件進行開發，以功能劃分可以將整個平臺劃分為數據監控、歷史記錄、報警設置、數據分析4個部分。軟件數據監控界面，在該界面中可以直接看到在線的節點數量，并且可以將節點調出，查看每個節點下的傳感器數據;歷史記錄界面可以將不同節點某一時間段的數據進行繪圖;報警設置可以對某一節點下的某一個傳感器報警閾值進行設置，并且能夠查看到最近24 h傳感器所觸發的報警信息;數據分析界面可以將數據進行導出，并可以在軟件內進行簡單統計處理。

4 ?測試結果分析

為驗證系統的準確性，將試驗系統在某礦場進行測試。系統共布置10個終端節點、4個路由節點、1個協調器以及1個NB-IOT網關。每個終端節點均連接1個溫濕度傳感器、1個雨量計以及2個MPU9250慣導器件。針對煤礦地質災害的特殊性和實時性要求，網關以1 s為周期定時上報數據。為驗證系統工作的準確性，在測試時著重對傳感器采集數值的準確性進行了測試。此外測試時網絡節點數量為15，網絡較小、傳輸速度要求不高，實驗室測試基本無丟包，故在本試驗不對其丟包率進行測試。

4.1 空氣溫濕度參數測試

空氣溫濕度作為基本環境參數，是試驗精度的重要考量，為驗證系統測量的準確性，選擇TH180NX工業溫濕度計作為對照組。每5 min采樣1次，共采樣10次。圖8為兩種方法所得溫度值的對比曲線，圖9為兩種方法所得濕度值的對比曲線。該系統傳感器所得到的溫濕度值與TH180NX溫濕度計所測結果基本一致，且變化趨勢相同。

4.2 傾角參數測試

系統中土壤、巖層傾角的測量至關重要，因此測試時選用商用北微BWN428動態傾角傳感器作為對照組進行測量，其中BWN428的精度為0.05°。100 s內，每10 s采樣1次，對比兩種傳感器采集到的傾角值。圖10為兩種方法穩定在45°時的對比曲線，通過曲線可以看出，系統選用的MPU9250與BWN428所測結果基本一致，且變化趨勢相同說明該傳感器能夠滿足系統應用需求。

5 ?結論

基于WSN的煤礦地質災害監測系統，采用無線傳感器網絡技術實現了煤礦地質災害區域的實時不間斷監測。利用Zigbee網絡自組網、多跳、覆蓋廣的特點，解決了礦區大面積測量、網絡部署困難、通信不便的問題，同時系統采用CC2530、NB-IOT等多種低功耗技術，有效地提升了網絡生命周期。通過試驗測試，系統傳感器測量指標準確有效、誤差小，能夠適應煤礦地質災害監測需求，具有一定的應用價值。

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