基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下安全網(wǎng)絡(luò)傳感檢測控制系統(tǒng)構(gòu)建的研究

【摘要】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)通信領(lǐng)域的CDMA技術(shù)以及GSM網(wǎng)不同的是，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)對象是工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸，這種技術(shù)簡單，使用方便，工作可靠，價(jià)格低，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)減少了井下人員數(shù)量減低了工作強(qiáng)度，有助于礦井的精確監(jiān)控與礦井自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)本文會(huì)從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳感檢測系統(tǒng)的信號(hào)控制方面做一些探究與討論。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);傳感檢測控制系統(tǒng);系統(tǒng)構(gòu)建

1.引言

與移動(dòng)通信領(lǐng)域的CDMA技術(shù)以及GSM網(wǎng)不同的是，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)對象是工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸，這種技術(shù)簡單，使用方便，工作可靠，價(jià)格低，通常的移動(dòng)通信網(wǎng)服務(wù)對象則是語音通信，移動(dòng)通信基站的建造費(fèi)用一般為數(shù)百萬元，物聯(lián)網(wǎng)基站估價(jià)則大約只有幾千元左右。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠通過連接的感知器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和傳送處理信息，在信號(hào)控制范圍以內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間可以和數(shù)個(gè)孤立的不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線連接。由于礦區(qū)地下通信的不便利導(dǎo)致覆蓋盲區(qū)較多，并且礦井巷道地形復(fù)雜監(jiān)測點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，采用物聯(lián)網(wǎng)這種有高容量、高延展性、高可靠性的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)非常適合應(yīng)用在礦井復(fù)雜通信監(jiān)控領(lǐng)域。

2.物聯(lián)網(wǎng)無線通信傳感技術(shù)的介紹

無線傳感技術(shù)的微型感知器節(jié)點(diǎn)被部署在監(jiān)視區(qū)域中，它由無線通信以形成一個(gè)多跳物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的形成，感知器節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測的數(shù)據(jù)的內(nèi)容和其它感知器節(jié)點(diǎn)的跳傳輸?shù)奶囟ㄐ盘?hào)最后的聚合到節(jié)點(diǎn)處。通過感知器網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)的配置和管理，可以進(jìn)行該節(jié)點(diǎn)的監(jiān)視任務(wù)，也可以是收集的監(jiān)控信息的工作。節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊可以比作一個(gè)共同的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的基站，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊的東西可以進(jìn)行彼此之間的信息傳遞，并和每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離從75米延伸到后幾百米，可以達(dá)到數(shù)公里之遙。此外，還有是一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)的事情，物聯(lián)網(wǎng)無線通信網(wǎng)的最大優(yōu)勢是它的能夠和各種網(wǎng)絡(luò)連接。

煤礦礦井中采用無線傳輸方式構(gòu)建的無線感知器網(wǎng)可以避免傳統(tǒng)的采用硬線連接，線路容易老化腐蝕磨損，故障率高，誤報(bào)警率高這些劣勢。并且無線數(shù)據(jù)傳輸避免了重新布線的作業(yè)，適應(yīng)煤礦生產(chǎn)移動(dòng)或變化的需要。

3.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集群樹和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三種。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)通信由于設(shè)計(jì)簡單，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是適合于室內(nèi)小范圍的應(yīng)用，如家庭自動(dòng)化，個(gè)人電腦周邊設(shè)備。樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是它的對等對等網(wǎng)絡(luò)和分層樹路由機(jī)制。需要相互聯(lián)系，在一個(gè)無限的輻射范圍，如果它達(dá)到的通信要求，可以直接溝通。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是復(fù)雜特性的層次結(jié)構(gòu)樹中的點(diǎn)Z-AODV協(xié)議的路由，并在與航線的組合混合。

3.1 星型網(wǎng)絡(luò)的形成

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)中心的協(xié)調(diào)，星形網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)顯著的特點(diǎn)所有設(shè)備都可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員進(jìn)行溝通。在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，首先是要確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，我們知道，每一個(gè)的FFD設(shè)備存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)的上層協(xié)議的可能性決定如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

激活一個(gè)FFD的移動(dòng)設(shè)備時(shí)，廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求的第一步驟，響應(yīng)接收到的網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器存在，并進(jìn)一步通過一系列的認(rèn)證過程，常見的設(shè)備在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的變化。如果認(rèn)證過程是不成功的，沒有收到相應(yīng)的響應(yīng)，F(xiàn)FD設(shè)備可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)。

我們知道網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)與之匹配的具有唯一性的標(biāo)識(shí)符，而且?guī)缀醺鱾€(gè)類型的星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都會(huì)用這個(gè)標(biāo)識(shí)符來規(guī)范本身的隸屬特性。但不同的星型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間也可以互相通信來完成，通過設(shè)置專用網(wǎng)關(guān)。在選擇符合同規(guī)格的設(shè)備標(biāo)識(shí)符，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)裝置將被允許加入這些設(shè)備的匹配相關(guān)聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)。

如果兩個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互相通信，則相應(yīng)的數(shù)據(jù)包被發(fā)送到相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器分別彼此接轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的形成

和星形網(wǎng)絡(luò)不一樣的都是，區(qū)域點(diǎn)對點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)通信并沒有需要額外的設(shè)備來轉(zhuǎn)發(fā)，通常在一個(gè)特設(shè)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，雙方設(shè)備他們彼此能收到對方的無線電通信信號(hào)，可以進(jìn)行相互溝通，直接與對方之間接觸。特別值得注意的是關(guān)系到一個(gè)ad hoc網(wǎng)絡(luò)需要連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它的功能不是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，主要是完成登記和訪問控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理功能。

圖2 簇樹網(wǎng)絡(luò) ? ? ? ? 圖3 Mesh網(wǎng)絡(luò)

在傳送節(jié)點(diǎn)對傳送節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，只要收到對方的無線信號(hào)任何兩個(gè)設(shè)備，就可以通信，無需其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。但你仍然需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器件，但協(xié)調(diào)的功能不再是其他設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但要完成注冊和訪問控制設(shè)備等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器所產(chǎn)生的相同的上層協(xié)議，例如，提供信道的通信設(shè)備，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的移動(dòng)設(shè)備與所述第一信道開始。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特例就是簇樹網(wǎng)絡(luò)。

在這樣的網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)設(shè)備是FFD設(shè)備，RFD設(shè)備正在使用中的連接到網(wǎng)絡(luò)的群集樹的葉節(jié)點(diǎn)。每個(gè)設(shè)備都可以作為一個(gè)FFD或RFD協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的其他設(shè)備提供同步信息。但通常只有一個(gè)可以作為對等網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)員可能有更多的計(jì)算設(shè)備比其他任何顯著的能源資源以及資源。步驟中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的第一步是為他們的群集PAN不被使用，以形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)簇中選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，在同一時(shí)間的簇頭。第二步是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標(biāo)幀。相鄰設(shè)備收到信標(biāo)幀后，申請加入該簇。由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定設(shè)備可否成為簇成員，設(shè)備將作為簇的子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的鄰居列表一旦所做的請求被允許。通常新加入的設(shè)備一般會(huì)把簇頭作為它的上級(jí)設(shè)備導(dǎo)入其鄰近的列表中。

4.煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的組成

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備RFD設(shè)備屬于物聯(lián)網(wǎng)IOT協(xié)調(diào)員和路由器屬于FFD設(shè)備。

IOT物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，主要協(xié)調(diào)員，網(wǎng)絡(luò)路由器，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備三部分組成。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)員是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。保持間接尋址約束力的形式，和相關(guān)的支持協(xié)調(diào)員，協(xié)調(diào)員還可用于執(zhí)行其他活動(dòng)以及信托中心的協(xié)調(diào)員。通常情況下，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)IOT只能配置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)。路由器是一種網(wǎng)絡(luò)和支持相關(guān)的郵件轉(zhuǎn)發(fā)給其他的設(shè)備裝置。東西網(wǎng)或樹型網(wǎng)絡(luò)可以連接到多個(gè)路由器，但物聯(lián)網(wǎng)IOT星型網(wǎng)絡(luò)，但無法連接到互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)路由器。終端設(shè)備可以用來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的東西的東西需要與其他設(shè)備進(jìn)行通信。

它的存儲(chǔ)器容量要求最少，功能相對簡單。終端設(shè)備可以用來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的RFD需要與其他設(shè)備進(jìn)行通信。

4.2 煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的井下的網(wǎng)絡(luò)主要由有線網(wǎng)絡(luò)組成，由于煤礦安全系統(tǒng)控制范圍的增大整個(gè)信息系統(tǒng)的擴(kuò)展以及信息采集的靈活性的增強(qiáng)，物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)逐步代替了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)。

協(xié)調(diào)員將放置在原有的煤礦安全系統(tǒng)智能終端的有線網(wǎng)絡(luò)連接串行通信，這樣可以提供足夠的IOT協(xié)調(diào)員電源。除了協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)，負(fù)責(zé)井口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)畫節(jié)點(diǎn)，然后在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面系統(tǒng)。將物聯(lián)網(wǎng)終端放置井下一線采煤技術(shù)人員以礦工身上，便于井下數(shù)據(jù)的一線采集，并且?guī)椭孛婀芾砣藛T清楚各個(gè)采煤工作面的人員位置。

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備提供了一個(gè)簡單，功耗低，攜帶方便，可長期使用簡化功能設(shè)備，通過插件相關(guān)的感知器，可以快速，準(zhǔn)確地收集，如CO濃度，甲烷濃度，溫度井下工作面主要礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

每個(gè)工作組中安排放置一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)路由器有助于現(xiàn)場數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)器之間有效的數(shù)據(jù)交流更好的達(dá)到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男Ч?。將煤礦生產(chǎn)一線的的數(shù)據(jù)最快地傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，避免很多突發(fā)礦井事故的發(fā)生，保障了礦工的生命安全也確保了煤礦安全高效生產(chǎn)的要求實(shí)現(xiàn)了可觀的社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 井下無線網(wǎng)絡(luò)的大體結(jié)構(gòu)圖

5.煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)路由的建立

現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)察系統(tǒng)，主要是通過有線的形式構(gòu)成整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到很多困難，尤其是在網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和網(wǎng)絡(luò)的靈活性，也存在很多問題。

結(jié)合煤礦井下，礦井技術(shù)人員由于工作的需要無時(shí)無刻不在走動(dòng)，身上攜帶的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)，另外，隨著煤礦下一水平的開采，勢必會(huì)進(jìn)一步引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大規(guī)模動(dòng)態(tài)性質(zhì)的變化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)間通過多條數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，必須借助專門設(shè)置的路由協(xié)議進(jìn)行相關(guān)分組轉(zhuǎn)發(fā)操作。煤礦的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，在無線網(wǎng)絡(luò)中使用一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的的煤礦安全系統(tǒng)是理想事情，井下無線網(wǎng)絡(luò)路由需要有效滿足煤礦的實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)的基本性需求。此協(xié)議hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立的路由節(jié)點(diǎn)。通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，更新和維護(hù)路由。

6.煤礦安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成

6.1 硬件設(shè)計(jì)

MC13192接收和發(fā)送集成電路模塊支持星型和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括IEEE 802.15.4物理層。

MC13192射頻芯片有效的解決了煤礦中無線信號(hào)傳輸?shù)木嚯x短的致命缺陷，與此同時(shí)MC13192的單價(jià)只有大約3美元左右。通常開發(fā)套件包含一個(gè)完整物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)所需的全部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，花費(fèi)大約在200美元左右，為煤礦生產(chǎn)節(jié)省大量的資金。煤礦在安全方面的需求為了防止功率過大造成礦井爆炸事故，非常嚴(yán)格的要求各器件的輸出和輸入功率，MC13192芯片采用超低功耗模式，輸出功率通常為0到3.6dbm，完全達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)的要求。

在煤礦中，為了使2.4GHz頻段的射頻數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器MC13192、IEEE 802.15.4兼容性MAC軟件，以及一顆低電壓、低功耗的MCU-HCS08系列芯片兼容，采用了物聯(lián)網(wǎng)-Ready平臺(tái)。

圖5 ZigBee-Ready平臺(tái)

6.2 煤礦安全系統(tǒng)集

圖6 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，從地面控制中心，軟件系統(tǒng)，地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)的地下礦山和各種感知器組件到中心網(wǎng)絡(luò)安全體系。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心是集中管理和控制運(yùn)行傳送數(shù)據(jù)給地面控制中心。它主要由系統(tǒng)管理服務(wù)器，監(jiān)控主機(jī)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來完成。其中，用于監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)軟件，可以把多臺(tái)計(jì)算機(jī)組合成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

7.小結(jié)

必須要根據(jù)煤礦井下具體的作業(yè)環(huán)境，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)煤礦中通信的路由，規(guī)劃無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行煤礦安全網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成。達(dá)到煤礦的自動(dòng)化檢測保證礦工的生命安全，確保煤礦安全高效生產(chǎn)以及經(jīng)濟(jì)效益的顯著提高。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

陳國慶（1964—），男，廣東興寧人，大學(xué)本科，工學(xué)學(xué)士，副教授，高級(jí)技師，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系副主任，主要研究方向：電氣自動(dòng)化及節(jié)能技術(shù)。