基于無線傳感網絡的礦井監測系統關鍵技術研究

杜華東

（黑龍江礦安安全生產技術有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

伴隨著我國社會經濟的迅猛飛速的發展，煤炭能源已經成為國內至關重要能源資源供應的一種，也是各行業領域的基礎性主要燃料，煤炭能源的需求量需要滿足現代社會對其的需要，那么伴隨而來的就是礦業開采經營規模的擴大、對礦井下工作者的需求量激增，導致礦井下的安全性及確保礦井下工作者的安全性問題已經不可忽視。國內的煤炭能源制造一般來自于地下開采，礦井下制造工作環境很苛刻。近些年來國內對煤炭企業的安全生產工作也愈來愈關注，國內考慮到工程地質工作環境局限，煤炭能源的開發利用一般以礦井下居多，要想克服礦井下的安全生產工作難題，實現井下的安全性生產調度和通信保障是關鍵難題。考慮到井下構造的復雜的特征，礦井下至關重要的工作環境數據如周圍環境溫度、井下空氣濕度、氣體壓力、風速等級還有有害氣體濃度值等，難以用有線通信方式即時地監管。因此，煤礦安全生產成為了一個急需解決的關鍵問題，研究分析出能縮減、甚至是清除井下自然災害的全新智能化安全性技術方法，已經顯得非常急迫，確保煤炭能源安全生產工作，保證能夠滿足祖國對煤炭能源海量需求。井下安全性智能監測無線傳感器網絡系統整體構造，主要采用了ZigBee 無線電技術、傳輸路由協議和定位算法三種現代核心科學技術。無線傳感器網絡做為一種新式的無線通信技術，運用于井下環境監控系統的解析和設計當中，不止為井下安全生產工作管控和重大事故緊急救援給予安全可靠的技術服務，還為相近井下的環境監控系統的解析和設計給予理論基礎和運用示例[1]。

1 無線傳感器網絡分析

無線傳感器數據網絡是由布署在監控區域環境內大批感應器節點借助自組織形式構成的網絡管控系統，每一個節點協同地覺察、采集和整理被監控區域環境中覺察目標的信息內容，借助對這些信息內容的協同式整理，獲取覺察目標的精準信息內容。因此，感應器、覺察目標和觀測者構成了無線傳感器數據網絡的三個基本要素。基于無線傳感器網絡技術的煤礦安全監控系統在承繼了無線傳感器數據網絡的系統自動覺察、系統自動組網、多跳無線中繼傳遞等特征的同時，綜合考慮到了煤礦業礦井下的真實情況[1]。

1.1 無線傳感器數據網絡的內外部通常構造

常見的傳感器網絡由感應器節點、匯聚節點、移動計算機網絡或通訊通信衛星和任務管理處理節點等部件共同構成。傳感器節點任意布署分散在被監控監督的區域環境內，節點以自行自動組織的形式構成數據網絡，每一個節點都能夠采集數據信息，并借助“多跳分享”路由形式手段把數據內容信息傳遞到匯聚節點和別的鄰近節點。匯聚節點可以直接與移動互聯網或通訊衛星連在一起，借助移動互聯網或通訊衛星完成任務管理節點與感應器節點相互之間的通訊。移動用戶借助管理節點對傳感器網絡實現管控和配制，推送監控日常任務并采集數據監測。

1.2 感應器節點的功能模塊構造

無線傳感器數據網絡的關鍵部件是感應器節點。通常情況下，感應器節點由感應器功能模塊、數據整理功能模塊、無線通訊功能模塊和能源資源供給功能模塊構成。當中感應器功能模塊由各種類型感應器及模數轉換機器設備構成，處理器功能模塊通常主管協調節點各部件作業；無線通訊功能模塊通常主管與其余感應器節點及觀測者的通訊；能源資源供給功能模塊給予感應器節點平常作業所需要的能源資源，它是直接影響節點使用期限的主要因素。

1.3 無線傳感器網絡特點

（1）感應器節點體型小，成本費用低，具備自適應性無線傳感器中運用的感應器節點各部件集成度很高，因此具備體型小的優勢。傳感器網絡是由大批的感應器節點組織聯系在一起構成的，其生產和加工、制造的成本費用非常低。因此，傳感器網絡具備不錯的穩定性和自適應性[2]。

（2）電源模塊能源資源是數據網絡使用期限的核心無線傳感器數據網絡一般管控系統布署在極端場景或人不適宜抵達的區域環境，電池組能源資源比較有限，且通常無補給能源資源，感應器節點基于電源模塊能源資源的緣故經常性失靈或丟棄，因此如何有效提高電源效率是設計構思節點時需要考慮的主要因素。

（3）數據管控與加工處理是傳感器網絡的核心內容，無線傳感器網絡技術自身最突出的特征就是以數據收集處理為中心，傳感器網絡的設計必須以對數據的收集和管控為核心內容，把數據庫技術和計算機網絡技術融合在一起，從邏輯理性概念和軟件硬件技術等幾個方面考慮其系統的設置和實現。

2 無線傳感器網絡的礦井環境監測系統的方案設計

體系設計方案按照無線傳感網絡技術創建，以做到對礦井下環境監控和管控。該監控系統可分成兩個分系統，存在于煤礦井下的部分的采集與傳送體系，和存在于地面上部分的網絡監控與管控系統。

2.1 采集與傳送體系

采集與傳送體系具體包含移動節點、路由節點及其匯聚節點，做到對礦井下生存環境等信息數據的采集與傳送，感應器節點設計構思按照無線傳感器網絡的通信原理和單片機設計理論知識，可設計構思感應器的普通節點和匯聚節點。移動無線傳感器網絡節點由礦井下煤礦工隨身攜帶，蓄電池配電，含有檢測高瓦斯濃度值等生態環境質量網絡監控傳感器，具備無線數據傳輸信息的基本功能，并在環境監控數據超出標準時自行警報。各個移動節點給予一個唯一的序號，用來明確攜帶者的個人身份、具體位置等信息。其中，移動節點和路由節點兩種節點全部都是感應器的節點，具體采集礦井下區域環境真實情況信息，不斷開展多跳轉發分享，只將本節點認知的信息發送到緊鄰路由節點；路由節點開展“多跳分享式”轉發，將認知的信息按照路由協議推送出去；固定無線傳感器網絡節點按特定的距離穩固在支煤巷道內壁，具備區域環境信息和無線數據傳輸信息的基本功能;并在環境監控信息數據超出安全標準時自行拉響警報。對于各個固定節點的具體位置，必須通過在電子計算機數據庫系統中辦理備案的方式予以記錄，以此記錄作為固定座標點，方便在井下工作時用來明確運動節點的具體坐標位置。匯聚節點的功能是做到傳送體系和管控系統相互之間的傳送數據，相當于系統相互之間的一個網關節點。關于基站接收機節點，主要被安置在主煤巷內，收發固定式無線傳感器網絡節點傳送過來的信息數據，并將收集到的數據信息憑借通訊光纜飛速傳輸給專門負責信息數據收集的數據庫系統的網絡服務器中[2]。

2.2 網絡監控與管控系統

網絡監控與管控系統包含監測中心電腦網絡、數據庫系統和遠程監控軟件等，無線傳感器網絡采集的信息憑借匯聚節點傳到監測中心并存進數據庫系統，遠程監控軟件對信息開展具體分析加工處理，并按照信息的變換對工人及礦井下區域環境開展監督控制。

2.3 數據處理流程設計

按照無線傳感器網絡的礦井下環境監控體系的數據整理程序流程是：首先由感應器節點開展礦井下區域環境信息即時采集，經其內嵌的信號處理器簡易加工處理后發送到緊鄰路由節點，路由節點憑借多跳轉發分享的形式將信息發送到匯聚節點，匯聚節點將收發到的信息分享到地面上信息監測中心，信息監測中心將收發到的匯聚節點的信息存進數據庫系統，并對信息開展具體分析，以獲得有效的礦井下區域環境信息，最后將具體分析結論展示給系統管理員。信息收集數據庫系統網絡服務器采集加工處理信息，將信息保存到數據庫系統，并隨時隨地向網絡監控部門給予即時精準的礦井下區域環境信息。

2.4 數據信息監控中心設計

數據信息監控系統核心的功能是接收匯聚節點監控的數據信息，剖析礦井下區域環境狀況。它核心由端口服務器、數據庫系統服務器、數據信息監控服務器等構成。端口服務器用于與匯聚節點開展通訊，完成協議變換；數據庫系統服務器用于歸類存放傳感器網絡發送的礦井下數據信息，與此同時與數據信息監控服務器開展通訊；數據信息監控服務器運轉電腦監控軟件，剖析并展現礦井下區域環境狀況。電腦監控軟件是數據信息監控系統的核心組成部分。它由即時展現模塊、數據查詢模塊、數據加工分析模塊、警報監管模塊和系統維護模塊構成。

2.5 實用性和可行性分析

礦井底下作業的空間范圍窄小、密不透風、工程地質狀況復雜多樣化，難于布置有線機器設備監控點，無線傳感器網絡中的感應器節點的體型大小非常小，價格低，能夠管控系統自由撒放于所有不規律的空間，它們覺察被測地域數據信息并相互之間遞送，使有線機器設備無法取得的數據信息借助匯聚節點和路由節點最終能夠抵達監控系統，完成井下區域環境數據信息的實時監測。設計無線傳感器網絡應用或測試時，一般采用ZigBee通訊技術。

ZigBee 技術是一種短距離傳輸、耗能較低、成本費用低的非單向無線通信技術，是當下在井下企業安全生產監控系統中普遍采用的無線電技術，管控系統ZigBee 技術在運用前期核心在國防軍事業務領域。隨后對ZigBee 技術開展資源整合和有關衍生技術的研發，如今早已普遍地運用于災害監測、能源資源監控等多方面。該技術能夠植入各類機器設備中，與此同時兼容地理位置精確定位的功能。與此同時，充分考慮到礦井下通訊的某些特別要求，例如：井下煤巷的半封的空間結構還有煤的電解介質特征促使井下在工作頻率較高的狀況下相似于介質波導，能夠在2.4GHz 頻率段工作，使高頻率無線電通信信號在井下中更加合理有效地直接的傳送。眾多專家學者早已對無線信號在井下中的傳送開展了測試，最終結果表明其傳播性能指標良好。2.4GHz 頻率段也是全球通用的工業生產、科學研究、醫學研究頻率段，免收費、免申報，在此頻率段上天線規格和電源芯片功能損耗能夠設計的更小，礦井下通訊特別適合用。其主要特點主要包含下面幾個方面:

（1）功能損耗低，傳送數據時的穩定非常高。ZigBee 技術將任務全過程劃分兩個過程模式，分別是工作模式和休閑模式。在工作模式下，ZigBee 技術的傳輸數據信息的速度比較慢，傳輸的信息量也會較為小，因此，數據信號的收取和發送時長便會較為短。而在非工作模式下，有關ZigBee的節點便會進入休閑的形態，即開啟了所謂的休閑工作模式。在此模式下工作可以節約非常多的電力能源，一節干電池就可以用很多年了。并且在MAC 層，選用了爭端預防機制，提高了信息內容傳送數據的安全可靠性。

（2）存儲的數據量很大，兼容支持很多其他設備，且安全性能非常高。ZigBee 技術的應用內部結構十分簡單，并且也兼容簡易電子元器件。一個ZigBee 技術的數據網絡可以涵蓋255 個ZigBee 的網絡節點，假如在這個數據網絡里選用了數據網絡統籌協調器，那么就可以兼容65535 個網絡節點。并且這個互聯網技術可以和目前的有線互聯網技術和無線互聯網無縫對接集成化，非常大地推動了ZigBee 的廣泛運用，并且ZigBee 還兼容基于128 位的密碼算法，進而提高了傳送數據的安全性能。

（3）成本費用造價低，任務頻率段設定靈活機動。因為ZigBee 技術的網絡層協議比較靈活，其合理有效的覆蓋面積在10m～75m，應用頻率段可以在2.4GHz，868MHz，915MH，這3個頻率段上免費體驗，正因如此，目前許多管控系統煤礦業公司在挑選無線通信技術時，選用的是ZigBee 技術。

3 結語

本篇文章緊密結合井下工作環境的特點，經過解析無線傳感網絡的技術性特點，解析構思了基于無線傳感器網絡的井下環境監控操作系統仿真模型，緊密結合對應的無線通信技術性以及路由協議就可以展開仿真。伴隨著無線傳感器網絡的發展壯大及井下環境監測方式的持續提升，日后的研究分析作業還將更進一步拓展。可從下面這幾個方向改善操作系統的總體性能，如增多傳感器節點的功能和性能，引進音頻與視頻等多媒體系統傳感器，使管理者對礦井下具體情況一覽無余。緊密結合無線傳感器網絡傳輸數據的融合技術性，提升數據采集的速率與效率，獲取更精準的礦井下數據，合理節省節點的能量消耗延緩其使用期限等。