基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统的研究

    引言
    当前我国煤矿行业信息化水平较低，信息技术应用不平衡。井下连采工作面由于设备较多，各设备随机独立作业，造成互相之间信息不沟通，更难以实现综合数据网络管理，从而限制了矿井自动化网络技术对该地区的辐射，这在一定程度上制约着煤矿安全生产工作。基于上述原因，本文作者设计了一个基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统，可以对井下环境参数和工况参数进行采集，并把采集到的参数实时送往井上的计算机进行显示、控制和超限报警等处理。
    1 系统总体设计
    煤矿安全监控系统主要是对矿井生产系统的安全监控，包括对矿井空气中有害或危险成分(如甲烷、一氧化碳等)的监测，矿井空气物理状态(如风速、负压、温度等)的监测，以及通风设备运行状态(如设备开停等)的监测，并且在紧急情况下能够使煤矿井下的一些电器设备断电，停止运转。
    本系统分为井上和井下两部分。井下部分主要是利用传感器对矿井内的温湿度和瓦斯体积分数信息采集，然后通过路由的方式经过各个节点传送到基站;井上部分主要负责接收从基站传输过来的数据，通过各监测子系统进行处理、分析，以曲线、图形和报表等形式显示数据，并支持各种查询统计功能。系统整体结构如图1所示。
   

    图1 系统结构图

    2 无线传感器网络设计
    本系统采用基于IEEE802.15.4标准的ZigBee技术组建无线网络。ZigBee是一种短距离、低功耗、低成本、高容量、高可靠性的无线网络技术，其工作频段为2.405～2.480 GHZ，采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250 KB/S，无线网络数传模块节点容量多可达到65000个，每一个数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展，非常适合煤矿井下信息的采集。本网络节点以自组织形式构成网状拓扑结构，每个节点都可以自主采集数据，数据通过单跳方式或多跳中继方式送到汇聚节点。
    2.1无线传感器网络节点的体系结构
    无线传感器网络节点是网络的基本单元，负责数据的采集和传送，其体系结构由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理模块(微处理器、存储器)、无线通信模块(无线收发器)和电源模块(电池、DC/DC能量转换器)四部分组成，如图2所示。
 

    图2 无线传感器网络节点体系结构

    2.2传感器节点的设计
    在数据处理模块中，微处理器是传感器节点的部件，负责处理数据并协调整个系统。为了使系统具有高性能、低功耗、多型号接口等特点，本次设计终采用ATME乙公司生产的的8位单片机ATmegal28L作为微处理器单元。ATmegal28L先进的RISC结构使其具有较高的计算性能HJ，不但具有UART、SPI、HC等通用接口，而且还具备多通道的模数转换器，同时，它可用的开源开发软件工具成熟且传感器节点操作系统TinyOS对其支持较好。
    虽然ATmegal 28L微处理器自带了4KB的EEPROM数据存储区域，但是对于传感器节点来说，拥有一个相对容量更多的、的数据存储区域是十分必要的，以便远程节点代码的自动更新、节点配置信息的保存等对更多存储空间的需要。为此，传感器节点的设计中使用了额外的一片512K的AT45DB041非易失性FLASH作为外部数据存储器。
    在无线通信模块中，考虑到无线收发器的数据传输速率、接收与发送功率、休眠的能耗、启动稳定时问和信号调制方式等方面，终采用了Chipcon公司的CC2420射频芯片。CC2420射频芯片采用SmartRF技术，以0.18urn的CMOS工艺制成，只需极少外部元器件。性能稳定且功耗极低。由于TinyOS已包含CC2420驱动支持，因此能够更加方便地与微处理器相连。
    在数据采集模块中，温湿度传感器采用SHTl1芯片，可燃气传感器采用KGS一20。SHTI 1是sensirion公司推出的一款高度集成、低功耗、高、抗干扰能力强的数字温湿度传感器芯片。该芯片通过两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大，然后进入一个14位的A/D转换器，经过二线串行数字接口输出数字信号。KGS-20型可燃气传感器是以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度榆测的一种半导体型气体传感器，它的基本特征是极高灵敏度和极快的响应速度且功耗低，非常适宜对井下可燃气体秘分数的检测。
    在本系统中，为了实现基站与主机之间的通信，设计了一个串口通信模块。基站汇总各个节点的数据，然后通过一个RS232串行接口传送给主机，主机再对这些数据进行处理。
    3 煤矿监控管理软件设计
    井上监控管理软件包括八大子系统，分别为:系统管理、安全监测系统、束管监测系统、通风监测系统、供电监测系统、煤流计量系统、主煤流监测系统和GIS系统。软件用Borland公司的Delphi7.0编写，Microsoft Access 2003作为后台的数据库，可以对各种参数进行表格显示、曲线显示、报姿显示和报警统计，以及对各种参数的报表生成和打印等。
    3.1系统功能设计
    安全监测子系统作为整个煤矿安全生产远程监测系统的部分，主要用来监测井下的各类环境参数和设备开停等主要生产参数。在一些重要的地点安装传感器后，一些环境参数和设备开停状态信息可以直接在地面中心站及管理网络工作站上反映出来，减少了井下有关的检查和值班人员的工作负担，帮助领导和调度员及时掌握安全生产情况，为指挥调度提供数据支持。
    通风系统的基本任务是:供给井下充足的新风;排除或冲淡矿井中有毒有害气体和粉尘;调解矿井气候条件，创造良好的工作环境;提高矿井的抗灾能力。
    供电监测子系统用来显示和查询井下各个变电所的母线电压频率、提供用电设备及各种保护设备的电流功率等参数。所完成的功能包括:实时显示中央变电所、通风机配电系统、主斜井配电系统机房的监测数据;根据时间、机房、测点等条件查询历史监测数据;在该系统内还能形成一些用户使用的报表。
    束管监测系统可以完成各级领导对束管系统监测数据的查询和浏览。能够用图形的方式直观显现监测数据的走向。对每天监测的数据项有固定的报表格式，能够查询。每天少会抽取三次气样，每次同时抽取八种气体。能够通过对监测数据的分析，通过“三角防爆区理论”对气体进行危险性分析，并得出结果。
    GIS系统负责用二维图形表示矿井安全地理信息系统。主要包括图形数据系统与属性数据系统，前者主要输入、存储、查询图形数据(如:点、线、面及其拓扑关系等)，还具有图形的分析与输出等功能:而属性数据系统主要完成图形实体的属性数据输入与管理、各种属性数据值的输出等。但是两者并不是孤立的，图形数据与属性数据间通过数据接口和数据库服务器实现动态连接。系统主要包括数据输人、图形编辑、图形设置、图形显示、操作、数据输出、检索查询、模型分析和图例库等。同时具有通用GIS系统的各种功能，如:放大、缩小、修改、删除、移动、旋转、复制等。
    整个系统终实现的功能包括:
    1)各种传感器参数的采集:包括环境参数(如甲烷、一氧化碳、温度和负压等)和工矿参数的采集。
    2)各种传感器参数的显示:采集器采集到的各种参数分别在采集器的液晶显示屏和计算机上显示出来。
    3)超限报警:当检测到某一传感器的参数超，采集器及时控制蜂鸣器发出声音报警，计算机同时给出声音和画面的报警。
    4)设备的断电控制:当需要对某一设备进行断电控制时，采集器能够对这一设备的断电器进行操作，达到对设备的控制。
    5)数据的远距离传输:各个矿井采集器采集到的参数需要及时传输到地面中心站进行监测。
    6)各种传感器参数记录和回放:计算机软件把下位机传来的各种参数存储在硬盘空间，工作人员可以选择任何一种参数进行记录和回放。
    3.2系统模块设计
    系统管理:分为用户管理、日志管理、代码维护三部分。用户管理负责管理用户信息，包括添加、删除用户，修改用户信息，并对用户分配相应的角色。分配角色负责对系统已有用户分配相应的角色，以限制和分配不同职能工作人员的操作权限。日志管理包括报警日志管理和安全日志管理，可以通过时间查询出相应的报警日志和安全日志。
    安全监测、通风监测、供电监测、煤流计量、主煤流监测这五大系统都对实时性要求较高，反映的数据类型基本类似，所以系统将这五大模块设计成统一的功能和显示风格，每个模块都有实时显示、安全监测、通风监测、供电监测、煤流计量、主煤流监测这五大系统都对实时性要求较高，反映的数据类型基本类似，所以系统将这五大模块设计成统一的功能和显示风格，每个模块都有“实时显示”、“实时曲线”、“数据查询”、“历史曲线”、“报表”这五个功能点。“实时显示”主要完成对井下与安全或设备状况密切相关的重要参数的实时数据的显示功能。“实时曲线”主要实现的是对比较重要的监测点或参数的实时数据进行动态曲线绘制，让工作人员能够非常直观地看出数据的变化趋势，以方便他们对生产的状况进行分析。“数据查询”是对一些需要的数据进行查看的过程，包括报警数据查询和历史数据查询，报警数据查询可以看到重要的一些报警数据，对重大报警历史数据可以进行打印便于卜报或者自行分析处理。“历史曲线”主要实现的是对比较重要的监测参数在一段时间内的历史数据绘制曲线，让工作人员能够非常直观的看到历史数据的变化趋势，以方便他们对生产的状况进行分析。“报表”是根据企业的需求，对一些关键数据进行整理和统计，形成直观的书面单据方便保存和打印，为企业工作提供方便而设计的。
    束管监测由于对实时性不要求，因此与前几大系统功能点有所不同，分为“数据查询”“曲线分析”、“报表查询”、“三角防爆区”四个功能点。“数据查询”是通过测点位置和选择起始与结束的日期以表格的表现形式来查询所有气体的浓度含量。“曲线分析”是通过日期和测点来查询在固定时刻各个采样气体的浓度百分比曲线图。“报表查询”是每天生成“羊场湾煤矿束管监测分析日报”，同时可以通过日期进行查询。“三角防爆区”是可以查询在爆炸危险区内的所有气体抽样记录，并能显示每一条抽样记录的分析图和分析结果，将结果在分析图上定位。
    “GIS系统”从总体功能上划分为六个功能模块，分别是:地图浏览、图层控制、图层编辑、搜索定位、实时报警、信息查询。整个系统功能如图3所示。
   

    图3 煤矿安全地理信息系统功能模块图

    3.3系统数据库设计
    “煤矿安全监控系统”的数据库应包含井下监测的主要系统:供电、排水、主煤流、通风、束管、安检，同时还要添加能够进行GIS(地理信息系统)开发的库表信息和系统管理的库表信息。设计表结构时，考虑到此监控系统的特点，将安检、通风、报警等模块的监测数据分别建表。
    4 结论
    本文对无线传感器网络煤矿安全监控系统的组成与体系结构及软硬件设计方法进行了研究。该系统将ZigBee无线网络技术与传统的煤矿安全监控系统相结合，弥补了井下监控网络依靠有线传输的局限，使得安全监控系统可能地有效覆盖事故隐患的地方，并为连采工作面移动设备并网提供了技术支持。利用该技术，可以很方便地实现有线网络和无线网络的无缝接口，为混合网络的实现提供了重要参考。