基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究

　　引言

　　當前我國煤礦行業(yè)信息化水平較低，信息技術(shù)應用不平衡。井下連采工作面由于設(shè)備較多，各設(shè)備隨機獨立作業(yè)，造成互相之間信息不溝通，更難以實現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理，從而限制了礦井自動化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對該地區(qū)的輻射，這在一定程度上制約著煤礦安全生產(chǎn)工作。基于上述原因，本文作者設(shè)計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以對井下環(huán)境參數(shù)和工況參數(shù)進行采集，并把采集到的參數(shù)實時送往井上的計算機進行顯示、控制和超限報警等處理。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是對礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的安全監(jiān)控，包括對礦井空氣中有害或危險成分(如甲烷、一氧化碳等)的監(jiān)測，礦井空氣物理狀態(tài)(如風速、負壓、溫度等)的監(jiān)測，以及通風設(shè)備運行狀態(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礦井內(nèi)的溫濕度和瓦斯體積分數(shù)信息采集，然后通過路由的方式經(jīng)過各個節(jié)點傳送到基站;井上部分主要負責接收從基站傳輸過來的數(shù)據(jù)，通過各監(jiān)測子系統(tǒng)進行處理、分析，以曲線、圖形和報表等形式顯示數(shù)據(jù)，并支持各種查詢統(tǒng)計功能。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

　　本系統(tǒng)采用基于IEEE802.15.4標準的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)點容量最多可達到65000個，每一個數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展，非常適合煤礦井下信息的采集。本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點都可以自主采集數(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。

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

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，負責數(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)點體系結(jié)構(gòu)

　　2.2傳感器節(jié)點的設(shè)計

　　在數(shù)據(jù)處理模塊中，微處理器是傳感器節(jié)點的核心部件，負責處理數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)具有高性能、低功耗、多型號接口等特點，本次設(shè)計最終采用ATME乙公司生產(chǎn)的的8位單片機ATmegal28L作為微處理器單元。ATmegal28L先進的RISC結(jié)構(gòu)使其具有較高的計算性能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，它可用的開源開發(fā)軟件工具成熟且傳感器節(jié)點操作系統(tǒng)TinyOS對其支持較好。

　　雖然ATmegal 28L微處理器自帶了4KB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，但是對于傳感器節(jié)點來說，擁有一個相對容量更多的、永久的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域是十分必要的，以便遠程節(jié)點代碼的自動更新、節(jié)點配置信息的保存等對更多存儲空間的需要。為此，傳感器節(jié)點的設(shè)計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、啟動穩(wěn)定時問和信號調(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，可燃氣傳感器采用KGS一20。SHTI 1是sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高精度、抗干擾能力強的數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片通過兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大，然后進入一個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。KGS-20型可燃氣傳感器是以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃氣濃度榆測的一種半導體型氣體傳感器，它的基本特征是極高靈敏度和極快的響應速度且功耗低，非常適宜對井下可燃氣體秘分數(shù)的檢測。

　　在本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)基站與主機之間的通信，設(shè)計了一個串口通信模塊?；緟R總各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后通過一個RS232串行接口傳送給主機，主機再對這些數(shù)據(jù)進行處理。

　　3 煤礦監(jiān)控管理軟件設(shè)計

　　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)、通風監(jiān)測系統(tǒng)、供電監(jiān)測系統(tǒng)、煤流計量系統(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作為后臺的數(shù)據(jù)庫，可以對各種參數(shù)進行表格顯示、曲線顯示、報姿顯示和報警統(tǒng)計，以及對各種參數(shù)的報表生成和打印等。

　　3.1系統(tǒng)功能設(shè)計

　　安全監(jiān)測子系統(tǒng)作為整個煤礦安全生產(chǎn)遠程監(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擔，幫助領(lǐng)導和調(diào)度員及時掌握安全生產(chǎn)情況，為指揮調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。

　　通風系統(tǒng)的基本任務是:供給井下充足的新風;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;提高礦井的抗災能力。

　　供電監(jiān)測子系統(tǒng)用來顯示和查詢井下各個變電所的母線電壓頻率、提供用電設(shè)備及各種保護設(shè)備的電流功率等參數(shù)。所完成的功能包括:實時顯示中央變電所、通風機配電系統(tǒng)、主斜井配電系統(tǒng)機房的監(jiān)測數(shù)據(jù);根據(jù)時間、機房、測點等條件查詢歷史監(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表。

　　束管監(jiān)測系統(tǒng)可以完成各級領(lǐng)導對束管系統(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。對每天監(jiān)測的數(shù)據(jù)項有固定的報表格式，能夠查詢。每天最少會抽取三次氣樣，每次同時抽取八種氣體。能夠通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，通過“三角防爆區(qū)理論”對氣體進行危險性分析，并得出結(jié)果。

　　GIS系統(tǒng)負責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、查詢圖形數(shù)據(jù)(如:點、線、面及其拓撲關(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)庫服務器實現(xiàn)動態(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。同時具有通用GIS系統(tǒng)的各種功能，如:放大、縮小、修改、刪除、移動、旋轉(zhuǎn)、復制等。

　　整個系統(tǒng)最終實現(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算機上顯示出來。

　　3)超限報警:當檢測到某一傳感器的參數(shù)超限時，采集器及時控制蜂鳴器發(fā)出聲音報警，計算機同時給出聲音和畫面的報警。

　　4)設(shè)備的斷電控制:當需要對某一設(shè)備進行斷電控制時，采集器能夠?qū)@一設(shè)備的斷電器進行操作，達到對設(shè)備的控制。

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

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