物聯網技術與煤礦安全監測信息平臺的融合

洪 飛

(長治市煤炭安全信息調度中心，山西 長治 046000)

0 引言

1999年，物聯網首次由麻省理工學院的研究團隊被提出。物聯網的核心理念是通過獨特的方式，將射頻識別(RFID)標簽、傳感器、執行器、手機等各種各樣的東西或物體相互作用、溝通，以實現共同的目標[1]。基于IP的無線技術已經給無線傳感器網絡(WSN)帶來了長足的進步，這是一個多學科的前沿研究課題，包括數據傳感和處理[2-4]。傳感器網絡在許多領域得到了廣泛應用，許多系統設計，如節能、智能傳感器網絡目標跟蹤，家庭自動化等等[5-7]。煤炭是重要的化石能源，與人們的日常生活息息相關，也為工農業生產提供主要能源[8-9]。為了礦工的安全，每個煤礦都要求安裝監測系統。現場使用的有多種礦山安全監測系統[10]，但是，這些系統沒有深入融合物聯網技術和智能服務[11-12]。據統計，2018年我國因礦難死亡人數近2 500人，為了提高礦井安全水平，適應煤礦井下復雜的環境，需要根據供電的難易程度來設計傳感器網絡[13]。文中介紹了一種智能煤礦監控系統，由健全的無線傳感器網絡和高效的服務組成。

1 系統總體框架

本系統總體框架如圖1所示。該系統由地面服務器系統和地下傳感器網絡組成。地下傳感器網絡由分支傳感器網絡和WSN組成，負責對各種數據的傳感。地面服務器系統支持數據分析和智能服務。利用控制器區域網絡(CAN)總線的虛擬傳輸穩定、易于部署的特點，構建了地下傳感器網絡的分支傳感器網絡。CAN總線是一種用于電子設備的多主廣播串行總線標準。它有許多優點。例如低布線復雜性，容易添加或刪除現有的CAN總線。

圖1 系統整體架構

WSN基于ZigBee技術，采用多種傳感方式構建。ZigBee技術是一套使用小型、低級別通信協議的高級通信協議規范數字接收器。具有數據速率低、電池壽命長、網絡安全等特點。集成了無線網絡自治協議和最優傳輸路徑選擇協議。ZigBee技術具有很強的抗噪聲能力，縮短了無線網絡的開發時間。在loT層框架的基礎上，將系統分為4層。它們分別是應用層、服務器層、網絡層和感知層。①各種系統服務。如安全監視器和礦機定位，都提供在應用菜單中；②服務器層包含服務器平臺和數據服務器。服務器平臺用于響應礦山管理者的請求，數據服務器的傳感節點由數據存儲模塊和數據分析模塊組成；③利用ZigBee技術和CAN總線構建傳感網絡。加入3G/GPRS技術，將建議的系統連接至互聯網；④將各個感知節點部署在整個煤礦中，獲取感知層中關于煤礦的實時數據。

2 地下傳感器網絡的設計

煤礦是一個環境復雜的地方，它由礦井和采場兩部分組成。本部分旨在建立和維護一個由分支網絡和傳感器網絡組成的傳感器網絡。

2.1 地下傳感器網絡

分支網絡包括中心節點和檢測節點。一個CAN總線通過集線器節點分散成多個CAN總線，以覆蓋每個主干。每個節點都可以與分支網絡中的其他節點自由通信。分支檢測節點設計如圖2所示。

圖2 分支網絡節點設計示意

支路檢測節點由8051MCU、報警模塊、傳感器模塊和電源管理模塊組成。8051單片機。節點的核心負責對感知數據的分析和對節點的操作。傳感程序完成后，數據傳輸到單片機。當數據超過安全基線時，單片機立即向報警模塊發送報警信號。同時將報警信號和傳感數據傳輸到系統服務器。否則，數據只存儲在RAM中。為了提高服務器的實時性，降低CAN總線的壓力，將所有的傳感數據一次發送給服務器，經過幾個傳感周期。在傳感方案中，位移傳感器用于探測礦井主干的直徑，以防止礦井主干的塌陷。通過粉塵濃度傳感器、氣體濃度傳感器和溫度傳感器的配合檢測，可以防止爆炸。電源管理模塊通過交直流隔離開關為所有模塊提供電源。就像筆記本電腦的電源管理一樣，當AC電源無效時，選擇DC電源立即為所有模塊供電。一個1 000 mA的電池可以讓整個節點運行超過5 h，所有節點的總功率低于600 mW和3 V電壓。這對于突發情況交流電源的恢復來說，完全足夠。為了與無線傳感器網絡進行通信，對分支感知網絡中的葉節點進行了一些修改。由于CC2430中包含了MCU，所以它可以作為MCU和無線通信模塊使用。

2.2 無線傳感器網絡

該無線傳感器網絡由采用ZigBee技術配置的各種移動檢測節點組成，可在礦井內任意布置。在無線傳感器網絡中定義了兩種類型的設備：全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)。FFD可以作為無線網絡中的網絡路由器，甚至是網絡協調器。網絡協調者負責整個網絡，在無線網絡上進行建設和管理。FFD節點可以同時與RFD節點和FFD節點通信。然而，RFD節點只能與FFD節點通信在MAC層中，每個無線節點都有一個唯一的MAC地址。然而，為了減少數據包的長度，ZigBee技術分配一個16位的網絡地址。

3 地面服務器系統的設計

3.1 系統設計

地面服務器系統是基于服務平臺和數據服務器進行數據處理和服務提供的系統。如圖3所示，服務器平臺設計了多項服務模塊。將來可以很容易地向服務器平臺添加更多的服務。數據服務器對感測節點獲取的感測數據進行分析和存儲。

圖3 地面服務器系統設計

3.2 服務器平臺提供的服務模塊

安全監控：對煤礦進行安全監控，實現對煤礦開采過程的智能監控。該系統為煤礦管理者提供了具有煤礦二維地理視圖的感測節點分布。如果不幸發生瓦斯泄露事故，所有節點都將變成報警模型，從而提示礦工和相關人員緊急撤離，并且本系統的另一大優勢是利用系統服務可以檢測到事故的位置，這一功能還可以和應急預案進行串聯，達到“報警-應急”雙重監控。

礦工定位：每個節點在無線網絡中保持一個唯一的16位網絡地址，每個路由器節點持有一個路由表。因此，本系統可以通過查詢路由表來獲得每個路由器節點所管理的子節點。因此，可以獲得礦工的大致位置。基于礦工定位服務，礦長可以實時查看煤礦的狀態，并以此制定更合適的救援方案來解救礦工。

設備控制：在該模塊中，礦長可以實時查看探測節點的狀態，如功率狀態、靈敏度狀態等。如果新到的節點申請加入網絡，或者已有的節點由于電源不足或硬件故障需要更換，可以進行相應的設置，增強系統的魯棒性。

檢查記錄：記錄檢查模塊有3個優點。首先，礦山管理者可以根據感應記錄對礦山安全狀態進行分析；其次，通過數據挖掘技術檢測安全基線；最后，事故記錄有助于礦長制定更好的事故應急救援方案。

移動連接：建議系統可以連接互聯網與3G/GPRS技術，以享受更多的互聯網服務。為了更好地組織救援行動，盡可能地減少損失，礦難發生后，要向與礦難有關的人員發出報警信息。

系統集：系統集模塊是本系統的重要組成部分。其原因是基于該模塊的煤炭管理器可以實現更合適的系統。該系統在數據存儲系統和高效結構的基礎上，對海量的傳感數據進行了先進的組織和管理。通過分布式數據共享和分布式快速索引數據，可以過濾出好的數據，進行信息融合和數據挖掘。在未來運行中，生產作業的相關數據也可以上傳至本系統，一方面，安全生產的數據可以作為系統評判的基礎，另一方面，系統積累足夠的安全生產數據可有利于其更靈敏地判別事故發生情況，從而做到更高級的安全監控。因此，在數據服務器中設計統一的數據結構，可以有效地存儲和檢查傳感記錄。通過分布式數據共享技術，在整合眾多煤礦的基礎上，實現遙感記錄的遠程傳輸和分析，利用數據挖掘技術可以對煤礦安全基線進行動態調整。

4 結論

智能煤礦監控系統，可以實現物聯網技術在煤礦安全監測中的深度融合，該系統包含一個面向管理人員的智能服務器系統和一個具有穩定性和高效性的集成傳感器網絡。該系統有望成為未來礦山實現智能化的重要部分，可以為相關業內研究人員及工程人員提供借鑒和思路。