煤礦井下作業人員實時安全狀態監測系統設計

張志軍，馬 靜

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

煤炭生產具有較大的風險，礦工面臨的危險遠遠超過從事其他職業的人。主要的煤礦開采風險包括：地層控制、地下炸藥、煤爆、顛簸、滑倒、起火、碰撞等。但是，我國使用煤礦安全績效的指標并不包括礦工的實時安全狀態指標。根據國家統計的事故數量，死亡人數和百萬噸死亡率廣泛用于反映其煤礦主動安全系統的有效性評判，包括誤工受傷人數、致殘受傷人數、醫療傷亡人數、潛在事件傷亡人數、致命傷害發生率等主要用作安全性能指標。因此，應該加入對一線井下礦工的實時安全狀態監測指標。隨著計算機無線網絡通信技術的發展，無線傳感器技術在工程實踐中得到了廣泛的應用。 由于井下的情況較為復雜，將無線傳感器作為礦工實時安全監控系統的傳輸工具具有重要意義。利用TD-SCDMA無線傳輸協議實現數據的無線傳輸，及時傳輸井下作業的人員的安全指標。采用計算機數據庫的調用和處理以及系統的硬件選型，在Java Script程序開發軟件的基礎上開發了ActiveX Data Object程序[1]，可以通過自動化監測實現礦工的實時安全狀態監測過程的自動化處理。 同時利用 VC++通用程序實現數據庫的存儲和調用。 最后，最終礦工的實時安全狀態監測結果將以曲線的形式顯示在人機交互界面。研究成果為煤礦行業本質安全化的電氣系統開發設計提供了依據。

1 系統方案設計

1.1 系統的體系結構

基于無線傳感器網絡的煤礦安全監控系統主要由傳感器節點、匯點節點、傳輸網絡、監控中心四部分組成。設計的礦井礦工安全狀態的多參數監測系統還可實時監測井下瓦斯、濕度、溫度等信號，更重要的是監測礦工的工作生理狀態參數以及對惡劣礦井環境的響應參數，當環境參數異常超過限制時可自動報警。

礦工安全狀態監測系統由大量密集的無線傳感器節點組成，這些節點廣泛分布在煤礦中，以保證數據采集的高精度和可靠性[2]。根據測量要求，可在礦工身體部位部署不同的傳感器，構建自組織網絡。本文設計的礦井多參數監測系統能夠實時監測一線作業人員在井下心率、血壓、血氧等信號，且自動向地面主控室發送預警信號并完成相應控制。該系統的數據處理流程：①傳感器節點實時采集地下氣體、風速、溫度、濕度以及礦工心率、血壓、血氧等信號。傳感器節點采集的數據通過操作級別的多個路由節點以多跳路由的方式發送到中心節點，將采集到的信息通過電纜發送到遠程監控中心，對數據進行處理和分析；②以曲線、圖形和報表的形式顯示，整體系統功能實現分為4個功能層，分別為邊緣感知層、霧決策層、云服務層、管控應用層[3]，如圖1所示。

圖1 礦工安全狀態監測系統功能應用層

1.2 數據采集方案設計

針對礦工安全狀態實時監測，及時輸出隨時間變化的人體生理參數變化曲線。 數據采集窗口的主要功能如下[4]。

(1)接口交互能力。 無線傳感器網絡技術安全監控系統的主要功能是實現人機交互，接口應該簡單易操作。同時，界面數據的清晰顯示可以幫助礦井安全管理人員根據礦工生理數據正確操作設備。軟件界面結合了菜單欄和工具欄，可以為用戶提供方便的操作界面。

(2) 無線網絡通信功能。 系統可實現實時數據采集，無線網絡通信模塊采用前端端口和 USB 數據接口連接通信設備。 此外，還可以通過服務器端接收數據、分析數據和存儲數據。

(3)數據存儲。系統提供一種可保存系統內存和硬盤計算容量的數據庫系統，同時也可以實現高效查詢。礦工狀態參數信息采集類型如圖2所示，當礦工生理監測參數超標時，系統將發出報警信號。 通過語音和純文本數據，可以傳輸到監控中心，監控中心可以及時采取措施。

圖2 礦工狀態參數信息采集類型示意

2 硬件選型設計

2.1 無線傳感器網絡節點的體系結構

礦工安全狀態監測系統分為WSN監控和PC監控控制部分。ZigBee WSN用于收集環境數據，并定期向協調器節點發送數據。 協調器通過RS-485接口將這些實時數據傳輸到計算機。計算機不僅可以自動顯示和存儲這些各種環境參數，還可以向WSN或指定的 WSN節點下載配置信息，實現對WSN或傳感器節點工作方法的修改。 根據煤礦監測參數的需要，處理器模塊連接體溫傳感器、心率血氧傳感器、六軸陀螺加速度傳感器、氧傳感器、危害氣體傳感器、溫濕度傳感器等各類傳感器模塊(圖3)[5]。 無線通信模塊主要負責與其他節點的通信。 此外，數據采集與運算處理是關鍵問題，因為一旦某個傳感器節點耗盡電池的能量，就會退出無線傳感器網絡，因此無線傳感器網絡的功耗應該盡可能低，避免無法再次獲得井下礦工的安全狀態參數。

圖3 礦工身體狀態感知節點模塊化結構框圖

2.2 無線傳感器網絡節點的設計

選擇STM32F103C8T6作為核心芯片[6]，STM32F103C8T6模塊如圖4所示。

圖4 STM32F103C8T6微處理器模塊示意

STM32F103C8T6是一種低功耗、低成本的無線微控制器，適用于IEEE802.15.4和 JenNet的應用[6]。 該設備集成了一個32位RISC處理器，具有完全兼容的2.4 GHz IEEE802.15.4收發器，192KB的ROM，96KB的RAM，以及豐富的模擬和數字外圍設備的混合物。 可以構建IEEE802.15.4或ZigBee兼容系統的SMT模塊。 具體而言，192 KB的ROM存儲器可以幫助實現點對點和網格網絡協議棧的集成RAM，可以支持路由算法和應用控制功能，而不需要增加額外的外部存儲。 深睡眠電壓為0.2 μV，射頻電量為34 mA，收發靈活性為97 dBm[7]。 這些特點都使一個高效率、低功耗、單片機無線微控制器電池供電的應用。

由于STM32F103C8T6芯片集成度高，可以設計必要的電路，如串行SOCKET、密鑰句柄、LED顯示溫濕度數據[8]。 井下采煤工作面和掘進工作面安裝移動傳感器節點功能板，采集不同地點的瓦斯濃度。主要由報警電路、數字溫濕度傳感器、液晶顯示器、氣體傳感器板接口、電池和電池電壓檢測電路等組成。 針對STM32F103C8T6芯片的處理能力，設定檢測任務的優先級，如圖5所示。

圖5 處理器任務處理優先級設置示意

根據礦井的監測要求，需要監測多個礦工的生理參數。瓦斯災害是威脅礦井安全的主要危險之一，也是影響礦工正常生理狀態的主要不利因素。選擇KGS-20作為氣體傳感器，采用氧化錫作為基本敏感材料來測量瓦斯濃度，具有功率低、精度高的特點，非常適合于氣體濃度的檢測。設計中大多需要溫、濕度監測，選用SHT11溫濕度智能傳感器，將溫濕度傳感器、信號處理、A/D轉換器和I2C總線接口集成在一個單片機中，具有數字信號輸出，具有抗干擾性好、響應速度極快、功耗低等特點[9]。

2.3 協調器的設計

協調器節點不同于傳感器節點，它主要負責數據的收集、集成并傳輸到上位機，承擔著礦工安全工作狀態數據的收集任務。協調器節點主動掃描其礦井覆蓋區域內所有的在職礦工，通過傳感器節點和電纜將傳感器節點與監控中心連接。一方面，它將監控中心的命令發送到WSN；另一方面，它打包無線傳感器網絡數據并發送到上位機。 協調器節點硬件設計不同于傳感器節點，它不僅擴展了RS485通信接口，而且使用電纜供電，當電纜供電異常時，自動切換到備用電池。

3 系統軟件程序設計

3.1 軟件架構

系統軟件采用模塊程序結構設計，以使移植方便、資源共享。 系統軟件主要包括數據采集和存儲模塊、報警模塊和有線通信模塊等(圖6)。

圖6 云服務程序的開發結構模塊

軟件設計主要采用Java Script程序編寫，結合Labview負責采集的數據顯示、分析和存儲等。 當采集的數據超過預警限制時，監測系統將發出預警信息，并采取有效措施防止礦工的人身安全受到嚴重的威脅。軟件架構的頂層設計為云服務層程序的設計，為了減小后端的運行計算壓力，采用統一接收數據并在云端儲存、決策數據，對復雜的礦工安全狀態參數進行集中式的管控、存儲和收發[10]。

3.2 終端節點的軟件設計

無線傳感器網絡包括終端節點、協調節點。在煤礦建立了一個礦工數據端口網絡。 利用TD-SCDMA通信協議，煤礦監測區域內隨機分布的許多傳感器節點，通過自組織和實時環境信息采集形成礦工監測網絡。 初始化后，數據沿網絡傳輸，并通過多跳路由發送給協調器。協調器節點初始化網絡，廣播其網絡地址和掃描通道。終端節點在初始化后嘗試尋網和入網，若成功入網，將設置中斷，進入低功耗工作模式，處理器處于空閑狀態。當中斷到達時，系統將發送采集請求信號，節點將進入工作，收集數據并將數據發送到相鄰的協調器節點。如果它接收到控制命令，將執行命令。不僅對礦工安全狀態參數實現了正常的采集，也降低了能耗的水平。

終端節點除了對網絡數據端口的參數定義，還包括管控應用層在用戶管理方面的信息處理。通過對不同技術管理人員設置安全權限的方法，從用戶登錄至礦工安全狀態數據庫比對信息都應實現密碼制管理，除了防止技術人員誤操作以外，也制止了管理權限的用戶對礦工實時安全狀態數據的篡改[11]。管控應用層程序設計模塊如圖7所示。

圖7 管控應用層程序設計模塊

3.3 協調器節點的軟件設計

協調器節點的主要功能是在通電后格式化一個新的網絡，在網絡設置后，協調器節點通過電纜將數據發送到監控中心。 當發現礦工潛在危害時，監測中心將自動發出警報，并幫助相關部門采取有效措施，防止礦井發生事故，并且及時對安全狀態異常的礦工展開應急救援。協調器節點可以安裝在監控盲區，以降低系統擴展成本，可以安排很多節點來消除礦井內不同位置工作礦工的盲區，協調器節點可以進行一般性的通信和分配目標。 協調器節點密集，可保證數據采集的高精度和數據傳輸的效率，實現煤礦作業環境的實時監測。協調器節點由大量的微傳感器節點組成，體積小，成本低，同時具有無線通信的自組織能力。

4 系統測試結果分析

4.1 邊緣感知層測試

邊緣感知節點主要負責采集井下人員的各種狀態信息，并通過節點搭載的邊緣計算算法判斷人員當前的安全狀況。邊緣感知層主要測試系統人員安全狀況分析算法、數據采集效果。測試時，使用柔性綁帶將測溫傳感器陣列固定在受測者的前額部分，而后通過導線連接到受測者隨身攜帶的邊緣感知節點數據采集模組上(圖8(a))。心率血氧傳感器通過壓敏醫用膠帶粘貼至受測者頸后(圖8(b))。

圖8 不同類型傳感器安置位置示意

數據采集模組測量經過血管反射的光強，經過可視化轉換之后獲得到心率波形圖(圖9)。

圖9 心率監測曲線示意

生理狀態數據采集測試中，將受測的6名人員分成3個對照組，分別測量心率、血氧、體溫3個數據，結果顯示心率平均誤差為3.72次/min、血氧平均誤差為1.025%、體溫平均誤差為0.35 ℃，實驗結果符合安全監測要求。

4.2 霧決策層測試

霧決策層不僅承擔著對區域內異常事件進行決策分析，還承擔著邊緣感知節點無線通信匯聚的任務。因此，霧決策層實驗主要對LoRa無線通信協議、霧決策層網絡通信進行測試。

在 LoRa無線通信協議測試中，采用5個設備模擬邊緣感知節點。通過測試程序腳本使5個模擬設備頻繁入網、離網、發送數據包測試入網成功率以及丟包率。測試場所選擇一段 L 型走廊模擬井下巷道場所，5個測試節點排布如圖10所示。測試時模擬設備向霧決策節點發送單包長為256 B的數據包。分別測試控中速率為 0.3、1.2、2.4、4.8、9.6、19.2 k時的每十萬個數據包的丟包率。

圖10 無線通信協議測試場所節點布置

從測試結果來看，節點4在入網測試時出現了失敗的情況，分析實驗環境后得出，由于該點存在著大型開關電源等強電磁干擾源，通過降低空中速率提高LoRa 無線通信抗干擾能力可解決該問題。

5 結語

無線傳感器網絡對工業和人們的日常生活有很大的影響，系統利用Java Script程序和VC++語言，不僅實現了礦井溫度、濕度、瓦斯濃度等環境參數的精確監測，更重要的是實現了對井下礦工在作業過程中的安全狀態監測。無線傳感器網絡在煤礦安全監控中的應用，突破了傳統的方法和思想，提高了監控系統的實踐能力和靈活性。該系統還能在礦工安全狀態參數異常超過限制時自動報警，有助于提高煤礦安全生產監控水平，減少事故發生。后期可以通過對無線通信系統的優化，降低數據的丟包率，當數據突變值達到預設的安全閾值時，無線傳感器網絡(WSN)礦山監測系統將發出警報，及時救助井下的礦井工人，從而為煤礦一線作業人員的生命安全提供了保障。