無線傳感器網絡在煤礦安全監(jiān)測中的應用

張明罡

摘要：近年來，通訊技術飛速發(fā)展，推動了無線傳感器網絡的應用。煤礦是我國能源需求的主要供應品，煤礦的安全關系到國家和人民的生命財產安全。本文就重點對無線傳感器網絡在煤礦安全監(jiān)測中的應用進行了分析，以期滿足我國煤礦安全監(jiān)控的發(fā)展需求，通過高效的監(jiān)控，保證煤礦生產效率的提高。

關鍵詞：無線傳感器網絡;煤礦;安全監(jiān)測

前言：煤炭是我國拓展能源的主要供給品，長期以來，煤礦的安全一直得不到較良好的保障，礦難隨之頻繁發(fā)生。無線傳感器網絡是近幾年發(fā)展比較迅速的監(jiān)管系統(tǒng)，對于傳統(tǒng)的監(jiān)管模式來說，無線傳感器則在網絡精度、容錯性和可靠性方面比較占有較強優(yōu)勢，實現了精準定位功能，提高救援效率。

1無線傳感器網絡的簡介

無線傳感器網絡簡稱WSN，其融合了現代三大先進技術，分別是傳感器技術、計算機技術和通信技術，三者承擔著對其信息的采集、處理和傳輸的重要作用，同時，三者發(fā)展促進了無線傳感網絡的誕生。通訊裝置就組成了一個整體，將傳感、執(zhí)行、控制、計算與通訊能力結合到一個網絡中?？梢宰龅綄崟r、實地、網絡分區(qū)監(jiān)測，并且對各種網絡的監(jiān)測信息進行采集、歸納、分析和總結，隨后傳遞給其他收集者[1]。

目前，在當代各個領域對無線傳感器都有較廣泛的運用，如：農業(yè)、軍事及醫(yī)療等，作為新時代網絡新型系統(tǒng)，具有非常顯著的特點，如：動態(tài)性、可靠性及其規(guī)范性等。

1.1組成

無線傳感器網絡是由四個部分模塊組成，分別是傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、外部網絡以及用戶界面。傳感器節(jié)點分布在感知區(qū)附近從而構成網絡結構，將采集信號進行傳輸，傳輸過程中，多個節(jié)點可對信號進行處理，后匯集到結點，再由節(jié)點將信號傳輸到處理中心。

1.2體系結構

網絡包括中心網絡以及無中心網絡兩種。傳統(tǒng)意義上來說網絡體系是帶有中心網絡，指的是已有的網絡出發(fā)，進行傳感器網絡。這種網絡需事先 配置好網絡節(jié)點，隨后進行安裝，從而形成蜂窩網絡，節(jié)點可通過有線或無線方式進行連接。

這些網絡節(jié)點配成為通訊子網，在蜂窩覆蓋的范圍之內便可放入數據采集節(jié)點進行信號采集，并將數據傳輸至相對應的數據分析節(jié)點中，處理后輸入到相應節(jié)點。

1.3特點

無線傳感器網絡中有以下幾種特點：

第一，大規(guī)模。傳感器網絡大規(guī)模包括兩方面含義：一方面，是傳感器節(jié)點分布時，遇到極大地理區(qū)域內，需部署大量傳感器節(jié)點;另一方面，傳感器節(jié)點部署及其密集，在小面積空間內，密集部署大量傳感器節(jié)點。

第二，自組織。在傳感器網絡應用中，通常傳感器會被放在沒有基礎結構的地方內，在使用過程中，部分傳感器會由能量消耗或環(huán)境造成失敗，傳感器網絡中的節(jié)點個數隨動態(tài)而增加或減少，使網絡拓撲結構隨動態(tài)而變化。

第三，動態(tài)性。傳感器網絡的拓撲結構會因四種因素發(fā)生改變：第一種環(huán)境因素或電能耗盡造成傳感器故障。第二種環(huán)境變化都有可能造成無線通信鏈路帶寬變化，也會導致時斷時通。第三種傳感器網絡的感知對象和觀察者及傳感器三種要素都可能具有移動性。第四種是新節(jié)點加入時會要求傳感器網絡系統(tǒng)適應變換。

第四，可靠性。傳感器網絡需要有通信保密性和安全性，防止有人盜取監(jiān)測數據信息。

第五，以數據為中心。傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。例如在應用目標跟蹤的傳感網絡中時，跟蹤目標可能隨時出現在任何地方，對其感興趣的用戶會關心目標出現的時間及其位置，不會關心哪個節(jié)點檢測目標。然而實際在目標移動時，會由不同的節(jié)點進行提供目標位置。

2煤礦安全監(jiān)控中對無線傳感器網絡的運用

2.1WSN方案的制定

針對在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)存在時發(fā)生的問題，有效解決技術問題，提出WSN安全監(jiān)控方案，在礦井內進行節(jié)點設置，距離為幾十米。此時，同礦井的工作人員應攜帶終端設備，在此基礎上，促進無線傳感子網形成，同時借助協調器方可實現與網關設備或控制服務器的鏈接。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中可應用WSN技術，為保證優(yōu)勢顯著，則內容如下：

第一，需有較長的通信距離。本系統(tǒng)對于煤礦的監(jiān)測會達到一百二十米左右時，在礦井下距離得到解決之后，監(jiān)控系統(tǒng)可靠性才可達到大幅度的提高。

第二，進行實時信號采集。本系統(tǒng)在進行時會對礦井中各個信息的采集具有實時性，從而更加保證了多種信息的高效轉發(fā)與處理。

第三，多種節(jié)點功能，通過本系統(tǒng)的網絡通信，獲得定位參數，從而實現了對人員的精準定位，此時，在基礎上，果斷為事故的搜救奠定了堅實的基礎。

第四，進行功耗與成本的降低。本系統(tǒng)存在較短工作周期，對功耗的要求偏低，此時，對系統(tǒng)的用量與日俱增的條件下，價格在逐漸下降。

第五，良好的擴展性。本系統(tǒng)對無線通信技術進行了實質性應用，通過其路由節(jié)點的增加，方可以實現監(jiān)控和范圍內的擴展，同時需具有良好的移動性及維護的便捷。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)的設計

無線傳感器內網絡安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)中是由四個方面構成，地面監(jiān)控中心、光纖骨干網、無線監(jiān)控分站及無線傳感器。纖骨干網是該系統(tǒng)的主要傳輸載體，無線監(jiān)控子系統(tǒng)將被其分散布置且有效的連接在一起，從而最終實現無線傳感覆蓋整個礦山[2]。

本系統(tǒng)在煤礦生產中應用表現分為以下幾種：

第一，感知、轉換現場各種數據的無線傳感器，分散在煤礦井下采掘巷道，各種數據通過無線通信匯集到區(qū)域監(jiān)控分站。

第二，各個分站對本區(qū)域匯集數據進行處理，之后會通過光纖骨干網發(fā)送到地面監(jiān)控中心，從而通過監(jiān)控中心主機進行處理，后對生產數據及環(huán)境信息進行全面解析。

第三，對煤礦生產系統(tǒng)中的突發(fā)事件應進行及時處理和預警，無線傳感器的網絡終結點是系統(tǒng)中的基本單元，更負擔著數據的采集與傳送等。

2.2.1無線傳感器網絡關鍵部分的設計

在無線傳感器網絡系統(tǒng)的設計中，主要是根據煤礦的安全需求，充分考慮其生產時的實際安全要求，其中，關鍵的幾個部分包括環(huán)境模塊、生產監(jiān)控模塊和中心主站控制模塊。

在環(huán)境模塊設計過程中，需要對煤礦井下的氣體進行監(jiān)測，包括氧氣、甲烷氣體、一氧化碳等。同時，要對巖煤溫度及煙霧等進行具體的分析，保證其處于合理狀態(tài)，避免井下作業(yè)人員安全受到危害。

生產監(jiān)控模塊中，井下生產包含諸多環(huán)節(jié)及因素，有煤倉煤位、水倉水位、供電的電壓、供電電流。在此，需要對主要生產的設備進行較嚴格的監(jiān)控，其中包括排水水泵、提升機、采煤器、膠帶輸送機等。

地面控制中心主控系統(tǒng)依靠計算機信息技術平臺，從而實現對各個區(qū)域內的數據檢索，對井下作業(yè)現場進行自動化數據信息處理分析，生成環(huán)節(jié)報表，形成更完整的生產信息數據庫，一旦現場環(huán)境出現了安全生產變化，則會發(fā)出預警信息，從而采取針對性的對策進行及時處理，為生產的安全提供了有效保障。

2.2.2煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實現

這項技術采取了無線傳感網絡，有效地形成了煤礦安全生產時的綜合監(jiān)控體系，具體表現在，對井下生產的現場，能夠進行準確、實時檢測，對不同的環(huán)境及其生產信息進行狀態(tài)分析，準確、安全的進行實時性監(jiān)控。

當某一項的監(jiān)測數據超出其安全的范圍后，本系統(tǒng)將會自動報警，以便快速采取解決措施。該系統(tǒng)以計算機網絡為平臺，實現了全自動無人操作，同時能夠自動進行監(jiān)控，保證數據的真實有效性，為井下生產安全提供了絕對精準的數據庫，大幅度提高了煤礦生產的安全技術水平。

結論：綜上所述，通過對無線傳感器網絡進行的分析，又結合煤礦安全的體系內的多種要求，從而設計出無線傳感器網絡技術的新型煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)，將這種無線傳感器網絡技術應用在煤礦監(jiān)控體系中，使其更好地服務于煤礦安全的監(jiān)測，從而減少礦難的事故發(fā)生，使煤礦開采時可以更加安全的進行。

參考文獻：

[1]李益鳴.無線傳感器網絡在煤礦安全監(jiān)測中的應用[J].工程技術研究，2019（16）：140-141.

[2]靳偉峰.基于無線傳感器網絡的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計與分析[J].山西煤炭管理干部學院學報，2018，031（003）：55-58，61.