基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全系統(tǒng)如何保證煤礦安全

引言

當(dāng)前我國煤礦行業(yè)信息化水平較低，信息技術(shù)應(yīng)用不平衡。井下連采工作面由于設(shè)備較多，各設(shè)備隨機(jī)獨(dú)立作業(yè)，造成互相之間信息不溝通，更難以實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理，從而限制了礦井自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)該地區(qū)的輻射，這在一定程度上制約著煤礦安全生產(chǎn)工作?；谏鲜鲈颍疚淖髡咴O(shè)計(jì)了一個(gè)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)井下環(huán)境參數(shù)和工況參數(shù)進(jìn)行采集，并把采集到的參數(shù)實(shí)時(shí)送往井上的計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、控制和超限報(bào)警等處理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的安全監(jiān)控，包括對(duì)礦井空氣中有害或危險(xiǎn)成分（如甲烷、一氧化碳等）的監(jiān)測，礦井空氣物理狀態(tài)（如風(fēng)速、負(fù)壓、溫度等）的監(jiān)測，以及通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（如設(shè)備開停等）的監(jiān)測，并且在緊急情況下能夠使煤礦井下的一些電器設(shè)備斷電，停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)分為井上和井下兩部分。井下部分主要是利用傳感器對(duì)礦井內(nèi)的溫濕度和瓦斯體積分?jǐn)?shù)信息采集，然后通過路由的方式經(jīng)過各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到基站;井上部分主要負(fù)責(zé)接收從基站傳輸過來的數(shù)據(jù)，通過各監(jiān)測子系統(tǒng)進(jìn)行處理、分析，以曲線、圖形和報(bào)表等形式顯示數(shù)據(jù)，并支持各種查詢統(tǒng)計(jì)功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本、高容量、高可靠性的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其工作頻段為2.405～2.480 GHZ，采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 KB/S，無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊節(jié)點(diǎn)容量最多可達(dá)到65000個(gè)，每一個(gè)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展，非常適合煤礦井下信息的采集。本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以自主采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過單跳方式或多跳中繼方式送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳送，其體系結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、無線通信模塊（無線收發(fā)器）和電源模塊（電池、DC/DC能量轉(zhuǎn)換器）四部分組成，如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

2.2傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)處理模塊中，微處理器是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心部件，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)具有高性能、低功耗、多型號(hào)接口等特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)最終采用ATME乙公司生產(chǎn)的的8位單片機(jī)ATmegal28L作為微處理器單元。ATmegal28L先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)使其具有較高的計(jì)算性能HJ，不但具有UART、SPI、HC等通用接口，而且還具備多通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時(shí)，它可用的開源開發(fā)軟件工具成熟且傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)TinyOS對(duì)其支持較好。

雖然ATmegal 28L微處理器自帶了4KB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，但是對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)來說，擁有一個(gè)相對(duì)容量更多的、永久的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域是十分必要的，以便遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)代碼的自動(dòng)更新、節(jié)點(diǎn)配置信息的保存等對(duì)更多存儲(chǔ)空間的需要。為此，傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中使用了額外的一片512K的AT45DB041非易失性FLASH作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

在無線通信模塊中，考慮到無線收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸速率、接收與發(fā)送功率、休眠的能耗、啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)問和信號(hào)調(diào)制方式等方面，最終采用了Chipcon公司的CC2420射頻芯片。CC2420射頻芯片采用SmartRF技術(shù)，以0.18urn的CMOS工藝制成，只需極少外部元器件。性能穩(wěn)定且功耗極低。由于TInyOS已包含CC2420驅(qū)動(dòng)支持，因此能夠更加方便地與微處理器相連。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，溫濕度傳感器采用SHTl1芯片，可燃?xì)鈧鞲衅鞑捎肒GS一20。SHTI 1是sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片通過兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅魇且远趸a為基本敏感材料，專門用于可燃?xì)鉂舛扔軠y的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器，它的基本特征是極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且功耗低，非常適宜對(duì)井下可燃?xì)怏w秘分?jǐn)?shù)的檢測。

在本系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)基站與主機(jī)之間的通信，設(shè)計(jì)了一個(gè)串口通信模塊。基站匯總各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后通過一個(gè)RS232串行接口傳送給主機(jī)，主機(jī)再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 煤礦監(jiān)控管理軟件設(shè)計(jì)

井上監(jiān)控管理軟件包括八大子系統(tǒng)，分別為：系統(tǒng)管理、安全監(jiān)測系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)、通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)、供電監(jiān)測系統(tǒng)、煤流計(jì)量系統(tǒng)、主煤流監(jiān)測系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)。軟件用Borland公司的Delphi7.0編寫，Microsoft Access 2003作為后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，可以對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行表格顯示、曲線顯示、報(bào)姿顯示和報(bào)警統(tǒng)計(jì)，以及對(duì)各種參數(shù)的報(bào)表生成和打印等。

3.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測子系統(tǒng)作為整個(gè)煤礦安全生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，主要用來監(jiān)測井下的各類環(huán)境參數(shù)和設(shè)備開停等主要生產(chǎn)參數(shù)。在一些重要的地點(diǎn)安裝傳感器后，一些環(huán)境參數(shù)和設(shè)備開停狀態(tài)信息可以直接在地面中心站及管理網(wǎng)絡(luò)工作站上反映出來，減少了井下有關(guān)的檢查和值班人員的工作負(fù)擔(dān)，幫助領(lǐng)導(dǎo)和調(diào)度員及時(shí)掌握安全生產(chǎn)情況，為指揮調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。

通風(fēng)系統(tǒng)的基本任務(wù)是：供給井下充足的新風(fēng);排除或沖淡礦井中有毒有害氣體和粉塵;調(diào)解礦井氣候條件，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境;提高礦井的抗災(zāi)能力。

供電監(jiān)測子系統(tǒng)用來顯示和查詢井下各個(gè)變電所的母線電壓頻率、提供用電設(shè)備及各種保護(hù)設(shè)備的電流功率等參數(shù)。所完成的功能包括：實(shí)時(shí)顯示中央變電所、通風(fēng)機(jī)配電系統(tǒng)、主斜井配電系統(tǒng)機(jī)房的監(jiān)測數(shù)據(jù);根據(jù)時(shí)間、機(jī)房、測點(diǎn)等條件查詢歷史監(jiān)測數(shù)據(jù);在該系統(tǒng)內(nèi)還能形成一些用戶使用的報(bào)表。

束管監(jiān)測系統(tǒng)可以完成各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)束管系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢和瀏覽。能夠用圖形的方式直觀顯現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的走向。對(duì)每天監(jiān)測的數(shù)據(jù)項(xiàng)有固定的報(bào)表格式，能夠查詢。每天最少會(huì)抽取三次氣樣，每次同時(shí)抽取八種氣體。能夠通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，通過“三角防爆區(qū)理論”對(duì)氣體進(jìn)行危險(xiǎn)性分析，并得出結(jié)果。

GIS系統(tǒng)負(fù)責(zé)用二維圖形表示礦井安全地理信息系統(tǒng)。主要包括圖形數(shù)據(jù)系統(tǒng)與屬性數(shù)據(jù)系統(tǒng)，前者主要輸入、存儲(chǔ)、查詢圖形數(shù)據(jù)（如：點(diǎn)、線、面及其拓?fù)潢P(guān)系等），還具有圖形的分析與輸出等功能：而屬性數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要完成圖形實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)輸入與管理、各種屬性數(shù)據(jù)值的輸出等。但是兩者并不是孤立的，圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)間通過數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連接。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)輸人、圖形編輯、圖形設(shè)置、圖形顯示、專業(yè)操作、數(shù)據(jù)輸出、檢索查詢、模型分析和專業(yè)圖例庫等。同時(shí)具有通用GIS系統(tǒng)的各種功能，如：放大、縮小、修改、刪除、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、復(fù)制等。

整個(gè)系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的功能包括：

1）各種傳感器參數(shù)的采集：包括環(huán)境參數(shù)（如甲烷、一氧化碳、溫度和負(fù)壓等）和工礦參數(shù)的采集。

2）各種傳感器參數(shù)的顯示：采集器采集到的各種參數(shù)分別在采集器的液晶顯示屏和計(jì)算機(jī)上顯示出來。

3）超限報(bào)警：當(dāng)檢測到某一傳感器的參數(shù)超限時(shí)，采集器及時(shí)控制蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警，計(jì)算機(jī)同時(shí)給出聲音和畫面的報(bào)警。

4）設(shè)備的斷電控制：當(dāng)需要對(duì)某一設(shè)備進(jìn)行斷電控制時(shí)，采集器能夠?qū)@一設(shè)備的斷電器進(jìn)行操作，達(dá)到對(duì)設(shè)備的控制。

5）數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸：各個(gè)礦井采集器采集到的參數(shù)需要及時(shí)傳輸?shù)降孛嬷行恼具M(jìn)行監(jiān)測。

6）各種傳感器參數(shù)記錄和回放：計(jì)算機(jī)軟件把下位機(jī)傳來的各種參數(shù)存儲(chǔ)在硬盤空間，工作人員可以選擇任何一種參數(shù)進(jìn)行記錄和回放。

3.2系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管理：分為用戶管理、日志管理、代碼維護(hù)三部分。用戶管理負(fù)責(zé)管理用戶信息，包括添加、刪除用戶，修改用戶信息，并對(duì)用戶分配相應(yīng)的角色。分配角色負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)已有用戶分配相應(yīng)的角色，以限制和分配不同職能工作人員的操作權(quán)限。日志管理包括報(bào)警日志管理和安全日志管理，可以通過時(shí)間查詢出相應(yīng)的報(bào)警日志和安全日志。

安全監(jiān)測、通風(fēng)監(jiān)測、供電監(jiān)測、煤流計(jì)量、主煤流監(jiān)測這五大系統(tǒng)都對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，反映的數(shù)據(jù)類型基本類似，所以系統(tǒng)將這五大模塊設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的功能和顯示風(fēng)格，每個(gè)模塊都有實(shí)時(shí)顯示、安全監(jiān)測、通風(fēng)監(jiān)測、供電監(jiān)測、煤流計(jì)量、主煤流監(jiān)測這五大系統(tǒng)都對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，反映的數(shù)據(jù)類型基本類似，所以系統(tǒng)將這五大模塊設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的功能和顯示風(fēng)格，每個(gè)模塊都有“實(shí)時(shí)顯示”、“實(shí)時(shí)曲線”、“數(shù)據(jù)查詢”、“歷史曲線”、“報(bào)表”這五個(gè)功能點(diǎn)?！皩?shí)時(shí)顯示”主要完成對(duì)井下與安全或設(shè)備狀況密切相關(guān)的重要參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示功能?！皩?shí)時(shí)曲線”主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)比較重要的監(jiān)測點(diǎn)或參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)曲線繪制，讓工作人員能夠非常直觀地看出數(shù)據(jù)的變化趨勢，以方便他們對(duì)生產(chǎn)的狀況進(jìn)行分析?！皵?shù)據(jù)查詢”是對(duì)一些需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看的過程，包括報(bào)警數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢，報(bào)警數(shù)據(jù)查詢可以看到重要的一些報(bào)警數(shù)據(jù)，對(duì)重大報(bào)警歷史數(shù)據(jù)可以進(jìn)行打印便于卜報(bào)或者自行分析處理?！皻v史曲線”主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)比較重要的監(jiān)測參數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)繪制曲線，讓工作人員能夠非常直觀的看到歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢，以方便他們對(duì)生產(chǎn)的狀況進(jìn)行分析?！皥?bào)表”是根據(jù)企業(yè)的需求，對(duì)一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)，形成直觀的書面單據(jù)方便保存和打印，為企業(yè)工作提供方便而設(shè)計(jì)的。

束管監(jiān)測由于對(duì)實(shí)時(shí)性不要求，因此與前幾大系統(tǒng)功能點(diǎn)有所不同，分為“數(shù)據(jù)查詢”“曲線分析”、“報(bào)表查詢”、“三角防爆區(qū)”四個(gè)功能點(diǎn)?！皵?shù)據(jù)查詢”是通過測點(diǎn)位置和選擇起始與結(jié)束的日期以表格的表現(xiàn)形式來查詢所有氣體的濃度含量?！扒€分析”是通過日期和測點(diǎn)來查詢?cè)诠潭〞r(shí)刻各個(gè)采樣氣體的濃度百分比曲線圖。“報(bào)表查詢”是每天生成“羊場灣煤礦束管監(jiān)測分析日?qǐng)?bào)”，同時(shí)可以通過日期進(jìn)行查詢?！叭欠辣瑓^(qū)”是可以查詢?cè)诒ㄎｋU(xiǎn)區(qū)內(nèi)的所有氣體抽樣記錄，并能顯示每一條抽樣記錄的分析圖和分析結(jié)果，將結(jié)果在分析圖上定位。

“GIS系統(tǒng)”從總體功能上劃分為六個(gè)功能模塊，分別是：地圖瀏覽、圖層控制、圖層編輯、搜索定位、實(shí)時(shí)報(bào)警、信息查詢。整個(gè)系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 煤礦安全地理信息系統(tǒng)功能模塊圖

3.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

“煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含井下監(jiān)測的主要系統(tǒng)：供電、排水、主煤流、通風(fēng)、束管、安檢，同時(shí)還要添加能夠進(jìn)行GIS（地理信息系統(tǒng)）開發(fā)的庫表信息和系統(tǒng)管理的庫表信息。設(shè)計(jì)表結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到此監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，將安檢、通風(fēng)、報(bào)警等模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別建表。

4 結(jié)論

本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成與體系結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，彌補(bǔ)了井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)依靠有線傳輸?shù)木窒?，使得安全監(jiān)控系統(tǒng)最大可能地有效覆蓋事故隱患的地方，并為連采工作面移動(dòng)設(shè)備并網(wǎng)提供了技術(shù)支持。利用該技術(shù)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的無縫接口，為混合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供了重要參考。