基于WSN 的井下安全監控系統設計研究

李 彬

（霍州煤電集團呂臨能化公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

目前國內煤炭的儲量高達1800 多億噸，年產量可達世界總量的三分之一。豐富的儲量導致對其的能源依賴，煤炭是國內能源的主要部分，支持著國內經濟的繁榮發展，是我國的支柱性的能源產業。但是煤炭開采除了少數地區為露天開采，大部分區域都為地下開采，因此受到地質條件的影響，安全事故時有發生。現在機械化程度并沒有達到預期，很多時候還是需要大量的工人參與開采，因此對一線的工作人員生命安全帶來很多威脅。由于井下開采網絡較為復雜，通信設備受到各種因素的干擾，造成信息的延時，無法實現井上井下的統一調度，對井下安全也有一定的威脅。

目前，國內大部分煤礦企業中安全監控系統信號傳輸采用的是有線的形式，為了實現功能就需要在井下投入大量的傳輸線。隨著巷道的延伸，傳輸線不斷地在增加，過程中經常出現斷裂等情況，造成信號無法傳輸，從而使得相關的安全儀器報警監控失效，失去其存在的意義，威脅井下的人員安全。針對傳統方式投入大、傳輸慢、數據缺失等問題，本文在現有的安全監控系統上結合ZigBee 技術，通過搭建無線傳感器網絡平臺，以傳感器的形式，實現井下各類信號的實時傳輸，解決傳輸速率慢的問題，同時對參數進行分析處理，指導相關人員處理緊急事件，為安全生產提供保障。

1 WSN 無線傳感器網絡簡介

為解決傳統安全監控的問題，需要將信號采集傳輸實現無線的形式，WSN 無線傳感器網絡的出現[1-5]，解決了以往系統傳輸慢、數據只收集不分析、成本高、維修難度大等問題。在創建WSN 時，首先必須先搭建拉通適合的通信協議。通信協議是實現無線連接的基礎，在信號傳輸過程中充當的是信號線的作用。目前被廣為使用的通信協議有如下幾種形式：紅外傳輸、藍牙傳輸、局域網傳輸、專用無線傳輸平臺、ZigBee 傳輸技術等。每一種通信協議都有其最佳的使用場景，本文不做一一贅述。根據復雜的地質環境以及惡劣的工作環境，為保證實施有效的信號傳輸，本系統使用的是ZigBee 傳輸技術。ZigBee 傳輸技術是一種專門服務于工業領域的通信技術，該技術充分響應節能降耗的口號，能夠通過較低的投入、較低的能耗、簡單的操作實現自動控制以及無線傳輸控制，同時可以實現嵌入性的應用，將定位芯片等植入其中，實現定位等功能，便于井下工作人員攜帶。

2 安全監測系統整體設計方案

基于WSN 無線傳感器網絡井下安全監控系統的設計是一個極其復雜的工程，該網絡需要與系統相連接，不管是從應用環境還是具體實施，關系到系統的軟硬件的設計。在系統設計時首先明確系統的應用環境，其主要是應用在井下地質環境較為復雜、巷道條件較為艱苦、被巖石以及煤炭充斥，同時還有大量的機械設備、空間狹小的環境中，需要與其余各種設備包括通風系統、采煤系統等一起工作，對信息采集以及設備的可靠性提出了不一樣的考驗。對于ZigBee 傳輸技術為基礎的無線傳感網絡安全監控系統需要實現的功能是，通過分布在井下各個位置的傳感器，將井下各重點位置的信息進行收集，再通過無線傳輸將信息輸送到井上監控室，實現井上井下的實時互動。針對系統的功能要求，結合井下的實際情況，同時經過反復的推演，最終確立無線傳輸技術下安全監控系統的設計方案。監控方案流程圖如圖1。

圖1 基于WSN 安全監測系統

系統的工作原理以及工作流程如下：

由于本次設計所研究的礦井其深度在地面以下450 m 以上，巷道長度達到了5 km 以上，工作面深度較深，受地質組成影響，工作面環境很惡劣，目前采用機械化的開采模式，在此工作面上為保證監控效果，預計設置傳感器節點380 個即可。通過在巷道各個位置設置的節點的作用，在正常工作情況實現信號感應、數據采集以及數據匯總即可；在突發情況下，感應數據異常時，能夠自發地調整傳感器的發射以及接收的靈敏度，協助信息的采集以及異常的處理。通過各個節點采集的信息，最終都會統一匯總上傳至井上監控室的工作總機上，將井下傳輸的信號數據，進行實時的分析處理以及數據波動的實時顯示，當數據超出安全界限時，及時報警同步采取相關措施對異常進行停機等的處理，實現井上井下的互動。前文提到，井下充斥著各種設備各種系統，其相互之間會存在信號的干擾等現象，因此，為了保證安全監控系統的有效工作，需要在安裝數據信號采集的節點周圍安裝一個抗干擾的傳感器節點，其通信方式一般采用直序擴頻，實現信號的有效傳輸，屏蔽井下復雜環境對信號的干擾。在各個節點之間，并不是單軍作戰，其每個節點上都帶有接收信號指示燈，同時相鄰的節點之間可以自組網形成一個小范圍的無線通信網絡，通過指示燈的提醒，可以實現小范圍節點通信，防止由于某個節點失效而造成的信號遺漏等的問題，為信號的采集提供保障。圖示中規劃的移動節點，就是充分利用其定位等的功能，將傳感器節點由井下工作人員攜帶，節點將隨著人員的移動而移動，此類節點的主要功能是實時傳輸位置以及所在位置安全信息，保證了井下員工的安全工作。

3 監測系統主要硬件選型設計

基于WSN 的安全監控系統設計過程中，其硬件的選型設計是最為關鍵的。根據系統的總體設計方案要想實現系統的功能，就需要集成無線傳感器節點，其由信號采集、接收模組、數據分析處理模塊、通信模塊、能量模組等部分組成，然后通過自組網的形式將分布的節點組成小組的模式，加強了系統的可靠性、傳輸信號的穩定性、作用范圍廣等的特性。在系統中需要大量的傳感器節點，而其一般無法二次使用，因此大多數的壽命只有一次，因此在保證性能的前提下，成本成為制約的關鍵。所以本系統選擇芯片為16 位的MSP430 單片機MSP430F149，以及2.4 GHz 頻率下工作的無線通信模塊來組成節點。除了節點的選擇外，還有其他硬件的選擇，具體的設備型號信息見表1。

表1 WSN 的安全監測系統硬件設計明細

4 結論

目前國內的煤礦安全監測監控系統為有線網絡，隨著礦井開采深度增加，信號線的不斷延伸，過程難以監控導致指令不能有效傳輸，而且有線的方式存在投入大、傳輸慢、維護難、缺乏分析報警等問題。本文在現有的安全監控系統上結合ZigBee技術，搭建無線傳感器網絡平臺，通過對安全監控系統的總體設計方案的制定，對穩定安全信號處理傳輸線路的規劃，結合硬件的選型設計，初步完成了系統的搭建，后續持續監控系統的運行，旨在實現井下各類信號的實時傳輸，同時對參數進行分析處理，指導相關人員處理緊急事件，從根本上降低煤礦的安全隱患。