基于WSN 的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李 彬

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

目前國(guó)內(nèi)煤炭的儲(chǔ)量高達(dá)1800 多億噸，年產(chǎn)量可達(dá)世界總量的三分之一。豐富的儲(chǔ)量導(dǎo)致對(duì)其的能源依賴，煤炭是國(guó)內(nèi)能源的主要部分，支持著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，是我國(guó)的支柱性的能源產(chǎn)業(yè)。但是煤炭開采除了少數(shù)地區(qū)為露天開采，大部分區(qū)域都為地下開采，因此受到地質(zhì)條件的影響，安全事故時(shí)有發(fā)生。現(xiàn)在機(jī)械化程度并沒有達(dá)到預(yù)期，很多時(shí)候還是需要大量的工人參與開采，因此對(duì)一線的工作人員生命安全帶來(lái)很多威脅。由于井下開采網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，通信設(shè)備受到各種因素的干擾，造成信息的延時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)井上井下的統(tǒng)一調(diào)度，對(duì)井下安全也有一定的威脅。

目前，國(guó)內(nèi)大部分煤礦企業(yè)中安全監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸采用的是有線的形式，為了實(shí)現(xiàn)功能就需要在井下投入大量的傳輸線。隨著巷道的延伸，傳輸線不斷地在增加，過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷裂等情況，造成信號(hào)無(wú)法傳輸，從而使得相關(guān)的安全儀器報(bào)警監(jiān)控失效，失去其存在的意義，威脅井下的人員安全。針對(duì)傳統(tǒng)方式投入大、傳輸慢、數(shù)據(jù)缺失等問題，本文在現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)上結(jié)合ZigBee 技術(shù)，通過搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以傳感器的形式，實(shí)現(xiàn)井下各類信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，解決傳輸速率慢的問題，同時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析處理，指導(dǎo)相關(guān)人員處理緊急事件，為安全生產(chǎn)提供保障。

1 WSN 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

為解決傳統(tǒng)安全監(jiān)控的問題，需要將信號(hào)采集傳輸實(shí)現(xiàn)無(wú)線的形式，WSN 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)[1-5]，解決了以往系統(tǒng)傳輸慢、數(shù)據(jù)只收集不分析、成本高、維修難度大等問題。在創(chuàng)建WSN 時(shí)，首先必須先搭建拉通適合的通信協(xié)議。通信協(xié)議是實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接的基礎(chǔ)，在信號(hào)傳輸過程中充當(dāng)?shù)氖切盘?hào)線的作用。目前被廣為使用的通信協(xié)議有如下幾種形式：紅外傳輸、藍(lán)牙傳輸、局域網(wǎng)傳輸、專用無(wú)線傳輸平臺(tái)、ZigBee 傳輸技術(shù)等。每一種通信協(xié)議都有其最佳的使用場(chǎng)景，本文不做一一贅述。根據(jù)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境以及惡劣的工作環(huán)境，為保證實(shí)施有效的信號(hào)傳輸，本系統(tǒng)使用的是ZigBee 傳輸技術(shù)。ZigBee 傳輸技術(shù)是一種專門服務(wù)于工業(yè)領(lǐng)域的通信技術(shù)，該技術(shù)充分響應(yīng)節(jié)能降耗的口號(hào)，能夠通過較低的投入、較低的能耗、簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及無(wú)線傳輸控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)嵌入性的應(yīng)用，將定位芯片等植入其中，實(shí)現(xiàn)定位等功能，便于井下工作人員攜帶。

2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

基于WSN 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)極其復(fù)雜的工程，該網(wǎng)絡(luò)需要與系統(tǒng)相連接，不管是從應(yīng)用環(huán)境還是具體實(shí)施，關(guān)系到系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先明確系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，其主要是應(yīng)用在井下地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜、巷道條件較為艱苦、被巖石以及煤炭充斥，同時(shí)還有大量的機(jī)械設(shè)備、空間狹小的環(huán)境中，需要與其余各種設(shè)備包括通風(fēng)系統(tǒng)、采煤系統(tǒng)等一起工作，對(duì)信息采集以及設(shè)備的可靠性提出了不一樣的考驗(yàn)。對(duì)于ZigBee 傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是，通過分布在井下各個(gè)位置的傳感器，將井下各重點(diǎn)位置的信息進(jìn)行收集，再通過無(wú)線傳輸將信息輸送到井上監(jiān)控室，實(shí)現(xiàn)井上井下的實(shí)時(shí)互動(dòng)。針對(duì)系統(tǒng)的功能要求，結(jié)合井下的實(shí)際情況，同時(shí)經(jīng)過反復(fù)的推演，最終確立無(wú)線傳輸技術(shù)下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。監(jiān)控方案流程圖如圖1。

圖1 基于WSN 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)的工作原理以及工作流程如下：

由于本次設(shè)計(jì)所研究的礦井其深度在地面以下450 m 以上，巷道長(zhǎng)度達(dá)到了5 km 以上，工作面深度較深，受地質(zhì)組成影響，工作面環(huán)境很惡劣，目前采用機(jī)械化的開采模式，在此工作面上為保證監(jiān)控效果，預(yù)計(jì)設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)380 個(gè)即可。通過在巷道各個(gè)位置設(shè)置的節(jié)點(diǎn)的作用，在正常工作情況實(shí)現(xiàn)信號(hào)感應(yīng)、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)匯總即可；在突發(fā)情況下，感應(yīng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，能夠自發(fā)地調(diào)整傳感器的發(fā)射以及接收的靈敏度，協(xié)助信息的采集以及異常的處理。通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的信息，最終都會(huì)統(tǒng)一匯總上傳至井上監(jiān)控室的工作總機(jī)上，將井下傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理以及數(shù)據(jù)波動(dòng)的實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)超出安全界限時(shí)，及時(shí)報(bào)警同步采取相關(guān)措施對(duì)異常進(jìn)行停機(jī)等的處理，實(shí)現(xiàn)井上井下的互動(dòng)。前文提到，井下充斥著各種設(shè)備各種系統(tǒng)，其相互之間會(huì)存在信號(hào)的干擾等現(xiàn)象，因此，為了保證安全監(jiān)控系統(tǒng)的有效工作，需要在安裝數(shù)據(jù)信號(hào)采集的節(jié)點(diǎn)周圍安裝一個(gè)抗干擾的傳感器節(jié)點(diǎn)，其通信方式一般采用直序擴(kuò)頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸，屏蔽井下復(fù)雜環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾。在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，并不是單軍作戰(zhàn)，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都帶有接收信號(hào)指示燈，同時(shí)相鄰的節(jié)點(diǎn)之間可以自組網(wǎng)形成一個(gè)小范圍的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，通過指示燈的提醒，可以實(shí)現(xiàn)小范圍節(jié)點(diǎn)通信，防止由于某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效而造成的信號(hào)遺漏等的問題，為信號(hào)的采集提供保障。圖示中規(guī)劃的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，就是充分利用其定位等的功能，將傳感器節(jié)點(diǎn)由井下工作人員攜帶，節(jié)點(diǎn)將隨著人員的移動(dòng)而移動(dòng)，此類節(jié)點(diǎn)的主要功能是實(shí)時(shí)傳輸位置以及所在位置安全信息，保證了井下員工的安全工作。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要硬件選型設(shè)計(jì)

基于WSN 的安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，其硬件的選型設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的。根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，就需要集成無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，其由信號(hào)采集、接收模組、數(shù)據(jù)分析處理模塊、通信模塊、能量模組等部分組成，然后通過自組網(wǎng)的形式將分布的節(jié)點(diǎn)組成小組的模式，加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性、傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性、作用范圍廣等的特性。在系統(tǒng)中需要大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，而其一般無(wú)法二次使用，因此大多數(shù)的壽命只有一次，因此在保證性能的前提下，成本成為制約的關(guān)鍵。所以本系統(tǒng)選擇芯片為16 位的MSP430 單片機(jī)MSP430F149，以及2.4 GHz 頻率下工作的無(wú)線通信模塊來(lái)組成節(jié)點(diǎn)。除了節(jié)點(diǎn)的選擇外，還有其他硬件的選擇，具體的設(shè)備型號(hào)信息見表1。

表1 WSN 的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)明細(xì)

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)的煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)為有線網(wǎng)絡(luò)，隨著礦井開采深度增加，信號(hào)線的不斷延伸，過程難以監(jiān)控導(dǎo)致指令不能有效傳輸，而且有線的方式存在投入大、傳輸慢、維護(hù)難、缺乏分析報(bào)警等問題。本文在現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)上結(jié)合ZigBee技術(shù)，搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案的制定，對(duì)穩(wěn)定安全信號(hào)處理傳輸線路的規(guī)劃，結(jié)合硬件的選型設(shè)計(jì)，初步完成了系統(tǒng)的搭建，后續(xù)持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，旨在實(shí)現(xiàn)井下各類信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析處理，指導(dǎo)相關(guān)人員處理緊急事件，從根本上降低煤礦的安全隱患。