摘要：煤礦安全尤其是人員安全是煤礦生產(chǎn)的主要問題，針對無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展和煤礦事故的問題，提出無線傳感網(wǎng)絡和有線系統(tǒng)結(jié)合的人體信號的監(jiān)測系統(tǒng)，為煤礦的安全生產(chǎn)和事故發(fā)生后的搜救工作提供可靠的保證

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡；煤礦安全；人體信號；監(jiān)測

1引言

近年來，煤礦發(fā)生事故的數(shù)量在不斷增加，如何加強安全生產(chǎn)，提高預警和事后搜救工作效率，擺到了國家各級主管部門和領(lǐng)導的面前。現(xiàn)有的煤礦監(jiān)控監(jiān)測而言，存在著地面與井下人員的信息溝通不及時；地面人員難以及時動態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況。有線的通訊方式在動態(tài)生產(chǎn)的煤礦井下應用存在諸多不便，井下地形也復雜，有線布線不便，建設(shè)成本也高，另一方面現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備都是自成一個體系，沒有統(tǒng)一網(wǎng)絡平臺，兼容性很差。我們所希望的未來煤礦安全系統(tǒng)是能夠事先預測事故的發(fā)生，掌握事故的規(guī)律，做出定性和定量的評價，向有關(guān)人員預先警告事故的危險性，將事故的損失降到最低。本文所闡述的是無線傳感網(wǎng)絡在煤礦安全生產(chǎn)中的應用探索?；谀壳盁o線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，希望無線的通訊方式實現(xiàn)井下安全監(jiān)測系統(tǒng)的信息傳輸。

2ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡是當前在國際上備受關(guān)注的，涉及多學科高度交叉，知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器技術(shù)，嵌入式計算技術(shù)，現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通訊技術(shù)，分布式信息處理技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測，感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界，計算世界以及人類社會三元世界的連通。常用的無線傳感技術(shù)：802.11b、802.15.4、ZigBee、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費頻段[1]。經(jīng)過綜合比較，本文采用新興的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)。

ZigBee技術(shù)的特點如下[2]：

a) 數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有20～250 kbit/s，專注于低傳輸速率的應用。

b) 時延短：休眠激活時延和活動設(shè)備接入信道時延均為15 ms，典型的搜索設(shè)備時延為30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時間，從而大大降低能量消耗。

c) 功耗低：由于ZigBee的傳輸速率低，且采用了休眠模式，因此大大降低了功耗。單靠兩節(jié)5號電池便可維持6到24個月，這是其他無線通信技術(shù)望塵莫及的。

d) 安全性高：ZigBee提供了基于CRC(循環(huán)冗余校驗)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認證，采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

e) 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)療)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)，均為免執(zhí)照頻段。

f) 網(wǎng)絡容量大：ZigBee可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并采用IEEE標準的64-bit編址和16 bit短編址。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時，主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。

g) 可靠性高：采用了CSMA-CA技術(shù)來避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。

h) 低成本：由于Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，因此大大降低了成本。

3無線傳感網(wǎng)絡在煤礦中的應用前端方框圖

4 系統(tǒng)功能的介紹

煤礦中需要監(jiān)測的參數(shù)很多，可以分為靜態(tài)和動態(tài)參量和動態(tài)參量兩種。靜態(tài)的是指環(huán)境參數(shù)：比如瓦斯?jié)舛?，一氧化碳濃度等，本文主要探討點--針對移動的人的信息的采集，可以通過對礦工體溫或脈搏指標的監(jiān)測來實現(xiàn)。用新型高分子壓電材料PVDF(聚偏氟乙烯)壓電傳感器對人體的脈搏信號進行測量[5]。PVDF具有壓電系數(shù)大頻響寬、聲阻抗易匹配、機械強度高、韌性好、質(zhì)量輕、耐沖擊、易于大面積成膜和價格低廉等優(yōu)點。然后由電荷放大電路、適調(diào)放大器、陷波器、低通濾波器、信號整形及光耦合等部分組成，完成信號的放大，濾波，電壓轉(zhuǎn)換。

通過脈搏傳感器采集到的信號經(jīng)過TI公司的低功耗MSP430FG4618處理器，MSP430FG4618是16 位超低功耗 MCU，具有116KB 閃存、8KB RAM、12 位 ADC、雙 DAC、DMA、3 個 OPAMP 和 160 段 LCD[3]和符合ZigBee協(xié)議的CC2420無線收發(fā)模塊[4]把采集到信號傳送到礦井主干道上的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

煤礦井下覆蓋的地域范圍往往達數(shù)百平方公里，由各種巷道和工作面組成，僅靠單一的無線傳感器網(wǎng)絡完成各種信息的傳輸是不可能也不經(jīng)濟的，必須在礦井的主巷道建立高速、高可靠的，由多種傳輸手段和傳輸媒質(zhì)相互配合、相互補充、協(xié)調(diào)工作的主干綜合傳輸網(wǎng)。本系統(tǒng)把無線傳感網(wǎng)絡采集到的信號通過網(wǎng)關(guān)，利用電力線載波通信技術(shù)即把載有信息的高頻加載于電流，用電力線傳輸，通過調(diào)制解調(diào)器將高頻信號從電流中分離出來，傳送到計算機或其他終端，以實現(xiàn)采集信息傳遞。

無線傳感器節(jié)點以手表的形式佩戴在礦工身上，各個設(shè)備都擁有一個64位的IEEE地址，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定礦工身份。通過脈搏傳感器可以知道工人的動態(tài)狀況。

地面監(jiān)測中心和總監(jiān)控中心的是用來對整個系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)處理和是否報警，當發(fā)生礦難時可以記錄人員的位置，通過脈搏信號知道工人生還的狀況，從而為是否營救，怎樣營救等問題提出更好的方案。數(shù)據(jù)處理的主要功能：考勤管理功能，通過監(jiān)控中心對人員的下井次數(shù)，和井下停留時間進行統(tǒng)計從而實現(xiàn)工作人員的考勤管理功能；安全保障和事故處理功能，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)信息，可以迅速知道井下人員及重要設(shè)備的分配情況，通過脈搏傳感器可以知道人員的身體狀況，一旦出現(xiàn)煤礦事故，可以對被困人員進行定位和搜尋，便于人員的救助。

5 ZigBee模塊的軟件設(shè)計

人體的生理信號通過礦工所佩戴的\"手表\"的ZigBee傳感器節(jié)點來實現(xiàn)，ZigBee傳感器節(jié)點模塊體積小，重量輕，并由礦燈供電電池供電。礦工的安全帽上添加報警按鍵，使得礦工發(fā)出的報警信號及時上報和處理。同時，根據(jù)礦井的實際需要，井下每隔的距離安裝一個無線傳感基站模塊，同時在特殊需要定位點也安裝。這些基站模塊組成一個分布式無線通信網(wǎng)絡，各模塊相當于網(wǎng)絡的各節(jié)點。無線傳感器模塊體積小，并且不需要井下布線進行通信，是一種較優(yōu)的選擇。ZigBee模塊進行通信之前需要進行有效初始化，初始化流程圖如圖2所示。

初始化通信過程中，ZigBee匯節(jié)點主動廣播接連信令，在傳感器節(jié)點成功接收和驗證一個數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，向匯節(jié)點返回確認幀，傳感器節(jié)點的ZigBee模塊被置于Sleep工作模式，接下來匯節(jié)點與傳感器節(jié)點進行角色轉(zhuǎn)換，匯節(jié)點模塊處于從模式工作狀態(tài)，等候響應連接請求命令，此時ZigBee模塊工作在主模式下，等待著有需求時喚醒發(fā)起連接請求。初始化過程結(jié)束后，ZigBee模塊工作于Sleep模式，拒絕任何的連接請求。ZigBee模塊信息處理框圖如圖3所示。

總結(jié)。

煤礦安全是煤礦生產(chǎn)的永恒話題。人員的監(jiān)控和救助是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重要保證之一，針對無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，本文提出對人體信號進行監(jiān)測和對人員進行定位的無線和有線結(jié)合的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，并闡述了設(shè)計思路。無線網(wǎng)絡在煤礦中有著廣泛的應用空間，使各地國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局能直接控制礦井安全管理，減少私人礦井所有者玩忽職守的可能，以達到進一步提高現(xiàn)有礦井安全管理水平的目的。

參考文獻

[1]李志宇 史浩山．無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點的實現(xiàn)．電子產(chǎn)品世界，2006.1

[2]王姝等．無線傳感器網(wǎng)絡的理論及應用．北京航空航天大學出版社，2007.7

[3]http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/msp430fg4618.html

[4]趙?。跓o線傳感網(wǎng)絡的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)．工礦自動化，2007.10：第5期49～51

[5]任毅．基于無線傳感器網(wǎng)絡的遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)研究．武漢理工大學，2007，5