基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

【摘 要】煤礦井下環(huán)境惡劣，給煤礦安全生產(chǎn)和礦工的身心健康帶來(lái)很大威脅，建立礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。本文將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案中，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型，并對(duì)方案中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行可行性分析。分析表明，基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)用性和可行性。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；礦井環(huán)境；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)

1.引言

我國(guó)的煤炭生產(chǎn)主要來(lái)源于地下開(kāi)采，井下生產(chǎn)條件很惡劣，如：噪聲大、粉塵濃度和有毒氣體濃度較高。長(zhǎng)期在這種環(huán)境中從事生產(chǎn)工作，會(huì)影響礦工的身心健康，同時(shí)給煤礦安全生產(chǎn)也帶來(lái)隱患。由于礦井結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，井下的重要環(huán)境信息如溫度、濕度、壓力、風(fēng)速以及有毒氣體濃度等，很難用有線(xiàn)通信手段實(shí)時(shí)地監(jiān)控。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）作為一種新型的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)之中，不僅為礦井安全生產(chǎn)管理和事故救援提供可靠的技術(shù)支持，而且為類(lèi)似礦井的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)例。

2.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作地感知、收集和處理被監(jiān)測(cè)區(qū)域中感知對(duì)象的信息，通過(guò)對(duì)這些信息的協(xié)作式處理，獲得感知對(duì)象的準(zhǔn)確信息。因此，傳感器、感知對(duì)象和觀測(cè)者構(gòu)成了WSN的三要素[1]。

2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.1.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)

典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)和其他相鄰節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)直接與互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星相連，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信。用戶(hù)通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和配置，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)并收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的功能模塊結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備是傳感器節(jié)點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成。其中傳感器模塊由各類(lèi)傳感器及數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備組成，主要用于感知被監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境信息，并將其感知到的信息數(shù)據(jù)傳送給處理器模塊；處理器模塊主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分工作，如對(duì)感知模塊獲取的信息進(jìn)行處理、保存，控制數(shù)據(jù)采集操作和電源的工作模式等；無(wú)線(xiàn)通信模塊主要負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)及觀測(cè)者的通信；能量供應(yīng)模塊提供傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作所必需的能源，它是影響節(jié)點(diǎn)壽命的關(guān)鍵因素。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

2.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，成本低，具有自適應(yīng)性

無(wú)線(xiàn)傳感器中應(yīng)用的傳感器節(jié)點(diǎn)各部分集成度很高，因此具有體積小的優(yōu)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，制造成本低。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可在比較惡劣環(huán)境下工作，比如礦井、礦山，經(jīng)常有節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很好的可靠性和自適應(yīng)性。

2.2.2 電源能量是網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在惡劣環(huán)境或人不宜到達(dá)的區(qū)域，電池能量有限，且一般無(wú)補(bǔ)充能源，傳感器節(jié)點(diǎn)由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄，因此如何提高電源效率是設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素。

2.2.3 數(shù)據(jù)管理與處理是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)最鮮明的特點(diǎn)就是以數(shù)據(jù)為中心，傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須以對(duì)感知數(shù)據(jù)的管理和處理為核心，把數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，從邏輯概念和軟、硬件技術(shù)等幾個(gè)方面考慮其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

3.MEMSoWSN系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

MEMSoWSN是基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，系統(tǒng)方案基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井環(huán)境監(jiān)控和管理。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)

圖2為礦井環(huán)境及人員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為兩個(gè)子系統(tǒng)，采集與傳輸系統(tǒng)（井下部分）和監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)（地面部分）。

圖2 MEMSoWSN整體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 采集與傳輸系統(tǒng)

采集與傳輸系統(tǒng)主要包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井生存環(huán)境等信息的采集與傳輸。其中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)都是傳感器節(jié)點(diǎn)，主要收集井下環(huán)境信息，不參與多跳轉(zhuǎn)發(fā)，只將本節(jié)點(diǎn)感知的信息發(fā)送給鄰近路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)參與多跳轉(zhuǎn)發(fā)，并感知礦井空氣中有害氣體的濃度和成分（瓦斯、一氧化碳等）以及礦井中空氣的物理狀態(tài)（如風(fēng)速、負(fù)壓、溫濕度等），將感知的數(shù)據(jù)根據(jù)路由協(xié)議發(fā)送出去；匯聚節(jié)點(diǎn)的作用是實(shí)現(xiàn)傳輸系統(tǒng)和管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，相當(dāng)于系統(tǒng)之間的一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

3.3 監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)包括監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控軟件等，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)傳給監(jiān)控中心并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)控軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)的變化對(duì)人員及井下環(huán)境進(jìn)行管理控制。

3.4 數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計(jì)

MEMSoWSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程是：首先由傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行井下環(huán)境信息實(shí)時(shí)采集，經(jīng)其內(nèi)置的處理單元簡(jiǎn)單處理后發(fā)送給鄰近路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面信息監(jiān)控中心，信息監(jiān)控中心將接收到的匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以得到有用的井下環(huán)境信息，最后將分析結(jié)果展現(xiàn)給管理員。

3.5 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信原理和單片機(jī)知識(shí)，可設(shè)計(jì)如圖3所示的傳感器普通節(jié)點(diǎn)，圖4所示的匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖3 普通節(jié)點(diǎn)示意圖

圖4 匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

3.6 信息監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

信息監(jiān)控中心主要功能是接收匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，分析井下環(huán)境狀況。它主要由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、信息監(jiān)控服務(wù)器等組成。網(wǎng)關(guān)服務(wù)器用來(lái)與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用來(lái)分類(lèi)存儲(chǔ)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的井下信息，同時(shí)與信息監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行通信；信息監(jiān)控服務(wù)器運(yùn)行監(jiān)控軟件，分析并顯示井下環(huán)境狀態(tài)。

監(jiān)控軟件是信息監(jiān)控中心的關(guān)鍵部分。它由實(shí)時(shí)顯示模塊、數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊、告警管理模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊組成，如圖5所示。實(shí)時(shí)顯示模塊動(dòng)態(tài)顯示井下環(huán)境信息；數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊實(shí)現(xiàn)礦工信息精確查詢(xún)、路由節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)查詢(xún)以及所關(guān)心節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)的查詢(xún)等；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)工作情況；告警管理模塊對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值限制，當(dāng)出現(xiàn)非正常情況時(shí)進(jìn)行告警，以便使管理員及時(shí)做出響應(yīng)；系統(tǒng)維護(hù)包括登錄人員管理、系統(tǒng)界面維護(hù)以及系統(tǒng)密鑰管理等。

圖5 監(jiān)控軟件功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.7 實(shí)用性和可行性分析

底下礦井空間狹窄、密閉、地質(zhì)狀況多樣，不易布設(shè)有線(xiàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，成本低，可以隨意撒放于任何不規(guī)則空間，它們感知被測(cè)區(qū)域信息并相互傳遞，使有線(xiàn)設(shè)備難以獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)最終到達(dá)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用或試驗(yàn)時(shí)，通常使用ZigBee通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。同時(shí)，考慮到井下通信的一些特殊要求，比如：礦井巷道的半封閉空間結(jié)構(gòu)以及煤的電介質(zhì)特性使得礦井在頻率較高的情況下類(lèi)似于波導(dǎo)，可以在2.4GHz頻段工作，使高頻無(wú)線(xiàn)電信號(hào)在礦井中更為有效地直接傳輸。許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)在礦井中的傳輸進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果證明其傳播性能較好[2]。2.4GHz頻段又是全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM，Industrial，Scientific and Medical）頻段，免付費(fèi)、免申請(qǐng)，在此頻段上天線(xiàn)尺寸和芯片功耗可以設(shè)計(jì)的更小，井下通信非常適合用。在實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用OPNET（Optimal Network Engineering Tools）仿真開(kāi)發(fā)工具OPNET Modeler，即可進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

4.總結(jié)與展望

本文結(jié)合礦井環(huán)境的特點(diǎn)，通過(guò)分析無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特征，分析設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型，結(jié)合相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及其路由協(xié)議即可進(jìn)行仿真。

隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及礦井環(huán)境檢測(cè)手段的不斷提高，今后的研究工作還將進(jìn)一步擴(kuò)展?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面提升系統(tǒng)的整體功能，如增加傳感器節(jié)點(diǎn)的功能，引入聲音和視頻等多媒體傳感器，使管理人員對(duì)井下情況一目了然。結(jié)合WSN數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提高數(shù)據(jù)收集效率，獲得更準(zhǔn)確的井下信息，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量延長(zhǎng)其壽命等。

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作者簡(jiǎn)介：高文玲（1973—），女，碩士，西安外事學(xué)院工學(xué)院高級(jí)工程師。