探析無線傳感器網絡在礦山安監系統的應用

董泓吾

（河鋼集團礦業公司石人溝鐵礦設備保障中心，河北 遵化 064200）

我國在礦井安監系統的研究上起步較晚，僅僅在上個世紀改革開放之后才引進相關系統。后來在經常長期的使用和實踐當中，推出了一系列仿制的系統，并在實踐中加以改進，成功的研發出了KJX系列的安監系統，但是伴隨著我國科學技術的進步，對于這個早期的系統已經被完全取代。在當下我國已經可以自主研發出相應的監控系統，但是依然在實際的使用中，面臨著諸多方面的問題。例如，系統由于采用的是有線網絡，這樣就使得在實際的使用中，有著較高的投入成本。在系統的安裝以及維修上較為困難，加上系統的功能局限性，使得無法有效的獲取到全面的環境參數和施工人員的作業信息。在當下的研發中，出現了無線傳感器的安監系統，以此有效的解決了傳統系統的缺陷。

1 研究背景

煤炭產業一直都是國家和社會發展的重要能源物質，構成了工業發展的主要基礎條件。我國無論是在煤炭儲量還是在煤炭的開采量方面，一直都在世界的前列。加上我國的經濟高速發展當中，使得對于煤炭能源的需求量不斷的提升當中，要進一步的加大煤炭的開采規模。但是煤炭的開采過程中，其實際的生產環境有著一定的特殊性，因此施工人員在參與作業中面臨著較大的安全威脅。一旦在煤炭的開采中，僅僅重視經濟效益和煤炭開采的數量，就會造成較大的安全事故，為國家和人民群眾造成巨大的損失，并不利于煤炭行業的整體發展和進步。為此，在當下的發展中，國家制定了相關的安全避險規定，使得在井下安全監控技術的使用中，有著更高標準的要求。這樣的背景下，無線傳感器技術便運用在了煤炭開采領域當中[1]。

2 無線傳感器技術

無線傳感器技術使用中智能化、自動化的無線網絡監測技術，可以有效的在開采煤炭的過程中，滿足煤炭開采的各種安全方面的監測需求。例如，在實際使用的過程中，可以實現人員定位跟蹤、數據冗余處理等方面的技術，因此就可以充分的保障煤炭開采的順利進展。

在設計的煤炭開采過程中，對于礦區和安全部門而言，需要對井下正在作業的工作人員開展實時定位跟蹤，這樣才可以及時的發現一些潛在的安全隱患，充分的保障作業人員的安全。定位技術是無線傳感器網絡的核心技術。例如，在發生礦難的時候，就可以馬上對井下受難人員實現精確的定位，以此開展高效率的救援工作，大大提升施工人員的生存可能性。其次，伴隨著當下科學技術的發展，已經成功的研發出一種錨點優化方式下的定位算法，這種算法可以實現智能化的人員定位功能。但是，由于在井下的施工作業的環境較為復雜以及空間有限，使得在錨點的數量上有限，因此會帶來一定的通信節點連通性不足的問題，對于精準定位也會造成一定的影響。另外，處于成本的限制，也需要對錨點的數量合理的降低，這就使得依靠錨點數量的提升來實現精確定位的可能性不高。在當下的設計中，更加需要對錨點實現科學合理的設計，結合其作業的實際環境，使得錨點處于最佳的位置，這樣就可以在保障定位精度符合安監要求的前提下，還可以起到節約成本的效果[2]。

3 無線傳感器網絡系統的構成

對于無線傳感器網絡領域的研究，最早由美國軍方提出了應用在軍事當中的傳感器網絡。伴隨著科學技術的發展，現階段該技術已經應用到各個領域當中，例如對于森林火災、環境監測、醫療護理領域，都實現了該技術的應用。無線傳感器在系統的組成上，主要由數據獲取網絡、數據分布網絡以及控制管理中心所構成。并集成了眾多的傳感器、數據處理單元以及通信模塊節點。在不同的節點當中，利用相同的協議組成了分布式的網絡，之后再對此數據進行全面處理和優化之后，便可以有效的形成無線電波，進而將其數據信息傳輸到信息處理中心當中。

在當下構成的無線傳感器網絡當中，并沒有中心節點的自主網。另外在所有的網絡節點當中，有著相同的傳輸地位，每一個單獨的節點或者在局部區域的節點上，即使發生了故障問題，也不會對整體網絡造成癱瘓方面的影響。在構成的網絡拓撲結構上，呈現出動態化的特點。但是，該網絡的傳輸能力有限，在每一單獨節點上，所能夠傳輸的數據量并不強，但是足以滿足系統上對于信息數據的傳輸需求。在實際的使用上，并不需要人工參與到能量的補充，因此構成了一種無人看守的網絡類型。另一方面，在物理層上，當下構成的無線傳感器網絡依據IEEE網絡標準，使得十分適合礦井下的監測工作。

4 礦井無線網絡監控的系統

4.1 網絡構成

在將無線傳感器網絡應用到礦井的開采過程中，首先要結合起當下礦山巷道，以及作業的工作面的實際情況進行合理的分析，以此構成合理的無線網絡監控系統。

在系統的構成上，主要由監控中心站主機、監控管理軟件、數據接口、避雷器、通信電纜以及網絡轉換裝置所構成。在眾多的系統組成上，監控中心站主機，是整個系統運行的關鍵所在，可以對采集的數據進行顯示，并形成數據報表、曲線顯示，以及各種圖像的形成。在具體的運行過程中，一旦系統檢測到一些異常數據，就會向執行器發出執行的指令。

在當下無線傳感器的網絡構成中，其計算機可以提供USB、RS232等接口類型。但是在實際的使用中，往往對這種類型的接口的使用，有著一定通信距離方面的限制，因此就無法有效的連接到工作面的一些設備。因此，對于當下遠距離的通信協議設計中，主要采用RS485、TTY以及CAN總線等類型的協議類型。但是在監控中心站的計算機設計中，由于無法很好的與這類型的協議進行連接，就十分需要在傳輸接口的使用上，要實現協議方面的全面轉換。

其中系統的防雷裝置的設計，是為了在實際的運行中，避免通信電纜出現較為嚴重的浪涌電流，因此起到充分保護系統在實際的運行中，不會受到浪涌電流方面的危害。而在通信電纜的連接井下，所使用的無線傳感器局域網，以及構成的井上監控中心，要將電纜直接敷設到作業面之上，以此形成連通的網絡轉換裝置。

在系統當中的網絡轉換裝置，是一種基于無線網絡傳輸協議，與有線網絡傳輸協議進行實時交換的裝置，因此系統運行中，可以實現有線網與無線網的PAN連接。另外，在無線網絡協調器的使用中，主要由終端節點構成一種無線傳感器網絡局域網。而在協調器的使用上，相當于傳統監控中分站。而在無線網絡協調器，以及網絡轉換裝置當中，需要裝設在相同的設備之上。而在協調器上，就需要使用初始化網絡、在臨近設備的發現、連接以及斷開網絡方面，可以實現諸多的任務。

其中在節點的設計上，與傳統傳感器網絡當中的傳感器、執行器以及聲光報警裝置的功能相似。但是，無線傳感網絡的協議中，節點可以有效的作用于一些移動的目標上，例如可以作用于工作人員的傳感器設備、生理檢測傳感器設備等，形成良好的數據協調。另外，在協調器的設計上，采用的是與周圍節點呈現出拓撲結構的設計類型，使得在不同的星形網絡當中，利用電纜的方式進行連接[3]。

4.2 工作原理

系統運行中，需要將ZigBee無線收發傳感器，以及執行器終端分別安裝在井下的設計好的位置上。在間距的設計上，需要將井下巷道當中，保障在70m以內就有著一個無線網絡協調器，并搭配著一個網路轉換裝置。而在協調器以及節點的安裝上，還要在每一個節點的設計上，都要有著兩個以上的協調器，這樣就可以在系統的運行中，即便某個協調器出現嚴重的故障，其他節點也可以馬上進入到另一個協調器的網絡當中，因此讓整個網絡系統順利的運行下去，不會出現系統的癱瘓。

之后，由于無線網絡協調器與網絡裝置相連，使得可以對每一個處于ZigBee上的節點數據信號進行采集，之后在有效的利用電纜的方式，將其數據信號傳輸到地面監控系統的計算機當中。計算機在得到了數據信號之后，可以對數據實現全面的分析，使得可以針對性的發出執行命令。執行信息達到網絡協調器之后，便再次利用協調器，將執行命令發送到不同的無線鏈路當中，形成完整的指令傳輸流程。

對于不同的終端節點而言，都會得到獨立且唯一的64bit IEEE地址，這樣在不同的地址當中，都會形成相對單獨的終端設備信息數據，或者對應著單獨的工作人員個人信息數據。另外，對于每一個網絡協調器而言，由于有著固定的位置信息，就會在礦山中形成一個固定的星形網絡結構。因此，只有充分的利用網絡協調器，以及周圍的節點，就可以讓網絡協調器的眾多子節點，形成列表的信息數據，充分的對節點實現良好的處理。另一方面，在發生事故之后，就可以基于地面監控的方式，使得計算機可以馬上收集到事故的具體信息數據，并明確出事故的具體位置。

而控制中心計算機在運行中，是對整個安監系統實現全面監控的系統。例如，可以對采集當的信息數據實現綜合性的分析和處理，以此對發出的執行指令進行分析和討論。例如，針對礦山的瓦斯濃度超限進行動態的考量。之后，還要對計算機進行比較分析，以此可以對報警信號開展合理性的評估，要對電信號的控制動作實現針對性的控制處理。同時，計算機也可以在運行中，可以有效的實現數據方面的顯示、保存和備份，例如對眾多數據的查詢、報表打印等功能，為礦井的日常安全運行做好保障。

而在監控中心的設計中，還要安裝備用計算機，并讓數據信息在備用計算機上保持著數據方面的更新。這時一旦在計算機在運行中出現了較為嚴重的故障，就需要讓備用計算機馬上投入到使用當中，以此降低數據方面的損失和故障，因此讓控制中心的計算機不會由于系統的癱瘓而導致整個系統的不穩定性。

4.3 系統的日常運維

在安監系統的日常運行中，為了提升監控的效果，就要積極的開展系統的定期運維工作。首先，要建立出專門的監管部門，以此針對一些重要的安監系統，開展定期的巡檢工作。在巡檢的過程中，一旦發現了相應的問題，就要馬上開展煤礦監控系統的升級改造工作，以此符合當下煤礦開采工作的監管工作[4]。

同時，對于工作人員的工作而言，還要加強執法工作強度，對系統的整體運行監管工作制定出合理的標準和制度，首先，建立出符合當下煤礦安監系統運行的建成制度。在日常的管理工作當中，讓監控系統的管理工作納入到日常的管理內容當中。重視起一些監控系統的不合理工作流程，例如在辦理復工、開工的手續當中，要積極的將其審查內容實現嚴格的把關。一旦發現了日常安全檢查工作當中的問題，就要積極讓監控系統受到嚴格的管理，在面對情節嚴重的問題的時候，就要馬上停產開展整頓[5]。

5 總結

綜上所述，在本文的分析中，主要針對當下煤礦開采工作，所使用的無線傳感器網絡的實際應用進行分析。這種技術方案可以很好的提升煤礦開采工作的安全監管力度，更加符合當下煤礦開采工作的安全標準，同時也要重視起系統的運維工作。