基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：從人員安全的角度出發(fā)，通過使用傳感器對礦井溫濕度、瓦斯氣體濃度以及礦工位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并利用成熟的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和工業(yè)無線通信設(shè)備，構(gòu)成煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對煤礦井下作業(yè)的安全保證。
關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；溫濕度傳感器；瓦斯傳感器；簇狀網(wǎng)絡(luò)

    我國作為世界產(chǎn)煤大國，煤礦產(chǎn)量占世界35％。但我國同時(shí)也是礦難大國，因礦難的死亡人數(shù)竟占世界的80％，煤礦百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30倍。這其中大多是因?yàn)橥咚贡ㄒ鸬模瑖?yán)重威脅著礦工的生命安全。因此煤礦都需要建立完善的自動(dòng)監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)，對礦井中的瓦斯、一氧化碳等易燃易爆氣體含量以及溫度、濕度等重要參數(shù)及時(shí)掌握，保證工作環(huán)境的安全。
    目前傳統(tǒng)的管理方式基本都是靠工作人員實(shí)地觀測并通過對講機(jī)等通訊設(shè)施，人工向監(jiān)控中心匯報(bào)情況，安全性和實(shí)時(shí)性都較差，還可能造成無法發(fā)現(xiàn)、漏報(bào)、遲報(bào)等危險(xiǎn)。因此基于各種網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)成為了煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展的方向。
    國內(nèi)目前在礦區(qū)使用的較成熟的監(jiān)測系統(tǒng)，大多采用有線方式，如KJF2000、KJ4／KJ2000等系統(tǒng)。但有線系統(tǒng)存在著布線麻煩、設(shè)備無法隨意移動(dòng)、難以進(jìn)行人員跟蹤定位等缺點(diǎn)。因此基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)測系統(tǒng)成為了目前研究和應(yīng)用的重點(diǎn)，但這些系統(tǒng)大多處于研究階段，相關(guān)現(xiàn)場設(shè)備大多是自主研發(fā)的樣機(jī)，可靠性和實(shí)用性不高，而且往往功能單一。
    本文通過對成熟的無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和各種現(xiàn)場傳感器的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對煤礦作業(yè)現(xiàn)場的溫濕度、瓦斯?jié)舛纫约叭藛T定位等重要信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有系統(tǒng)開發(fā)難度低、可靠性高、功能全面等特點(diǎn)。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備
    隨著計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是從新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的，具有低成本、低功耗、高度靈活性、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)成為繼現(xiàn)場總線技術(shù)后的又一個(gè)研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)對于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究和對比?？紤]到Zigbee技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和成熟性，因此該項(xiàng)目采用Disi公司基于Zigbee協(xié)議的工業(yè)用ConnectPort X網(wǎng)關(guān)及XBee ZB適配器產(chǎn)品。
1．1 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議
    Zigbee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，由IEEE 802．15．4和Zigbee聯(lián)盟共同制定。Zi gbee技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種短距低速的場合，如醫(yī)療護(hù)理、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和遙測遙控等。Zigbee的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常分為三類：中心協(xié)調(diào)器(PAN Coordinatox)、路由器(Router)和終端節(jié)點(diǎn)(End Device)。其中前兩類具有路由功能，可組成全Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而終端節(jié)點(diǎn)不具有路由功能，只能與中心協(xié)調(diào)器或路由器單跳連接，組成星型網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢是可以進(jìn)入休眠模式，以降低功耗。由這三類設(shè)備可組成各種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

    作為全球Zigbee和數(shù)傳領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，美國Digi公司擁有完整的Zigbee產(chǎn)品和解決方案。其中加強(qiáng)型Zigbee系列(XBee Pro)室外可視距離達(dá)到1．6 km，最大傳輸速率250 kbps，支持最新的Zigbee Pro協(xié)議，參數(shù)可配置，可組成任意網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有網(wǎng)絡(luò)安全加密、路由／終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)、信道跳頻等特點(diǎn)。并且作為工業(yè)級產(chǎn)品，具有較高的可靠性和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
1．2 ConnectPort X網(wǎng)關(guān)
    ConnectPort X網(wǎng)關(guān)為無線XBee網(wǎng)絡(luò)上的終端設(shè)備提供IP網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)關(guān)采集終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，處理后通過以太網(wǎng)、Wifi或無線蜂窩連接發(fā)送到上級應(yīng)用?？蛇x多種配置。同時(shí)內(nèi)置Python開發(fā)環(huán)境，使用戶可以在網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的定制，支持不同應(yīng)用。
    ConnectPort X網(wǎng)關(guān)具有連接狀態(tài)及信號強(qiáng)度等指示，采用4”全向天線，通過10／100Mbps自適應(yīng)RJ-45以太網(wǎng)端口實(shí)現(xiàn)與上級計(jì)算機(jī)的連接。采用工業(yè)金屬外殼設(shè)計(jì)，6～30VDC輸入電壓，安全性和電磁兼容性／抗擾度達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。
1．3 XBee ZB適配器／傳感器
    XBee ZB適配器通過一系列可供靈活選擇的物理接口，與智能電子設(shè)備進(jìn)行連接，使這些智能電子設(shè)備具有了符合Zigbee協(xié)議的無線通信能力。所提供的可選物理接口包括RS-232、RS-485、數(shù)字量I／O和模擬量I／O等。這些適配器有多種配置和定制選項(xiàng)供用戶選擇，以滿足不同應(yīng)用的需求。它是傳感器、控制器、其它有線應(yīng)用和有通用接口設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的理想選擇。
    XBee ZB傳感器集成了環(huán)境溫度、光強(qiáng)和濕度測量功能，溫度測量范圍-18℃～55℃，光譜帶寬范圍360～970 nm，濕度測量范圍0～100％RH，電池供電，便于攜帶。
    XBee—PRO ZB系列的發(fā)射功率達(dá)+17 dBm，接收靈敏度-102 dBm；采用IP66外殼，達(dá)到三防效果；輸入電壓范圍3．7～6VDC和9～30VDC可選，支持外接電源或電池供電，并可配置為中心協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)中的任意一種。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及組網(wǎng)方式
    本文所涉及的煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)，主要目的是實(shí)現(xiàn)井下溫濕度、瓦斯以及作業(yè)人員位置的監(jiān)測?？紤]到溫濕度和瓦斯的測量是在固定位置，而作業(yè)人員的位置是變動(dòng)的，因此考慮將溫濕度和瓦斯的測量作為一個(gè)集成的路由節(jié)點(diǎn)存在，而作業(yè)人員作為一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)存在。這樣，構(gòu)成了一個(gè)基于Zigbee簇狀網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

    “地面”的“現(xiàn)場監(jiān)視站”，還可以利用Digi公司提供的云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布和遠(yuǎn)程監(jiān)視。
    對于“井下”的Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，包括三種類型設(shè)備：“網(wǎng)關(guān)”、“環(huán)境數(shù)采設(shè)備”和“人員位置數(shù)采設(shè)備”：
    ●“ConneetPort網(wǎng)關(guān)”放置在井口處，一方面作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，與“地面”上級系統(tǒng)建立接口和連接；同時(shí)也作為整個(gè)井下無線系統(tǒng)的中心協(xié)調(diào)器存在，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。
    ●“環(huán)境數(shù)采設(shè)備”按一定距離(300 m)在井內(nèi)進(jìn)行放置，實(shí)現(xiàn)對溫濕度及瓦斯等環(huán)境參數(shù)的測量?？紤]到這些節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)作為人員位置監(jiān)測的參考點(diǎn)，此外從網(wǎng)絡(luò)的可靠性角度出發(fā)(如果中間有一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，仍希望網(wǎng)絡(luò)是正常工作的)，因此這些固定放置的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備作為Zigbee的路由器存在，其供電也將采用有線方式；所有環(huán)境監(jiān)測設(shè)備組成鏈狀網(wǎng)絡(luò)，最終與“網(wǎng)關(guān)”實(shí)現(xiàn)連接和數(shù)據(jù)交互。
    ●“人員位置跟蹤設(shè)備”采用XBee ZB傳感器模塊，由井下礦工隨身攜帶，從功耗角度考慮，該類設(shè)備作為Zigbee的終端節(jié)點(diǎn)存在，因此可以保持較長的工作時(shí)間。同時(shí)該終端節(jié)點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)搜尋模式，可以按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔喚醒并主動(dòng)搜尋最近的路由節(jié)點(diǎn)并加入網(wǎng)絡(luò)，由此實(shí)現(xiàn)定位跟蹤。
    井下“環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備”的構(gòu)成如圖3所示，包括溫濕度傳感器、瓦斯傳感器以及一個(gè)XBee—PRO ZB適配器。

    ●溫濕度傳感器：采用E+E公司的EE30EX本安型溫濕度傳感器，溫度測量范圍-40℃～180℃，濕度測量范圍0～100％RH，采用24VDC供電，輸出范圍0～10 V或4～20 mA。
    ●瓦斯傳感器：采用中煤科常州自動(dòng)化研究院的KGJ16B型瓦斯傳感器，測量范圍0～4％CH4，采用9～24 VDC供電，輸出范圍1～5 mA，通過串聯(lián)電阻可變換為1～5 V。
    ●XBee—PRO ZB適配器：由于溫濕度和瓦斯傳感器均為模擬型輸出，因此選用模擬輸入型XBee—PRO ZB適配器，有三組模擬輸入通道，0～10 V或4～20 mA可配置。目前系統(tǒng)僅使用了其中的2個(gè)輸入通道，并且均選用0～10 V測量范圍。

3 結(jié)束語
    采用已有的成熟傳感器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過集成和組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下作業(yè)環(huán)境和人員位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)根據(jù)測量功能和節(jié)點(diǎn)位置的不同，將環(huán)境測量用設(shè)備配置為Zigbee路由節(jié)點(diǎn)，按一定間隔進(jìn)行固定放置；而將人員定位設(shè)備配置為Zigbee終端節(jié)點(diǎn)，可進(jìn)入低功耗模式，同時(shí)自動(dòng)搜尋最近的路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)位置的跟蹤定位。
    該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高、功能全面等優(yōu)點(diǎn)，適合于煤礦綜合監(jiān)測的廣泛應(yīng)用。