宋楠楠，　陳　巖

(北京工商大學 計算機與信息工程學院， 北京　100048)

1　煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

國外煤礦監(jiān)控技術(shù)是20世紀60年代開始發(fā)展起來的，至今已有四代產(chǎn)品，基本5～10年更新一代產(chǎn)品，國內(nèi)也先后研制開發(fā)出了一批具有世界先進水平的煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理系統(tǒng)[1].

現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)雖然達到基本可用的水平,但是也存在不足和一些問題，主要包括以下幾方面. 1)采用有線網(wǎng)絡(luò),不僅成本高,而且安裝和運行困難；2)功能只限于環(huán)境參數(shù)的檢測和控制,不能獲取井下作業(yè)人員的考勤情況和身體狀況；3)只能測量固定地方的環(huán)境參數(shù)，有測量盲區(qū)；4)傳感器位置相對固定,無法檢測目標位置移動的參數(shù)；5)通信協(xié)議不完善,各廠家的接口不能很好地兼容.

因此,有線網(wǎng)絡(luò)較難達到動態(tài)全方位監(jiān)測,需要采用先進技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)改造.

2　煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)

本文針對現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的問題，并結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)要求和安全標準，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng). 該系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢，以一種靈活、方便的無線通信方式，對煤礦井下的環(huán)境進行實時監(jiān)測.

與現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)相比，本設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢.

1)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以無線的方式將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到井口，運行和維護起來都很簡易、方便.

2)根據(jù)礦井巷道的實際情況和對礦井環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的具體需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用人工的方式進行靈活的配置.

3)本系統(tǒng)不僅可以采集環(huán)境參數(shù)，還可以采集礦工生命體征信息.

4)在危險情況下，礦工可以啟動節(jié)點的呼救功能系統(tǒng)進行求救.

下面給出煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的具體方案.

2.1　監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

如圖1，整個安全監(jiān)控系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)，井下環(huán)境檢測及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和井上集中智能化信息管理子系統(tǒng)組成. 井上集中智能化信息管理子系統(tǒng)不是本文研究的重點，所以下文主要介紹井下環(huán)境檢測及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng).

圖1　安全監(jiān)控系統(tǒng)示意Fig.1　Safety monitoring system indication

井下子系統(tǒng)主要由RFD(reduced-function device)傳感器節(jié)點(礦工佩戴的終端便攜式節(jié)點)、FFD(full-function device)節(jié)點(網(wǎng)關(guān)設(shè)備，礦井巷道內(nèi)的固定節(jié)點)以及主協(xié)調(diào)器設(shè)備組成. 針對井下環(huán)境的實際狀況，RFD主要負責礦工生理特征參數(shù)的采集，并通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到FFD. FFD由具備路由功能的節(jié)點組成，及時收集環(huán)境參數(shù)，并及時將收集到的各種數(shù)據(jù)上傳到管理中心. 井下系統(tǒng)主要由無線網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備連接起來，實現(xiàn)可靠通信.

井上網(wǎng)絡(luò)與井下網(wǎng)絡(luò)通過傳輸接口裝置實現(xiàn)電氣上的隔離，絕對保證了井下設(shè)備的電氣安全.

2.2　系統(tǒng)中節(jié)點的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中的節(jié)點由FFD和RFD兩部分構(gòu)成.

RFD結(jié)構(gòu)圖如圖2，RFD由生命體征傳感器(采集礦工生命體征信息)、微控制器模塊、無線通信模塊、報警模塊和呼救系統(tǒng)以及能量管理模塊組成.

在RFD的硬件設(shè)計中，加入了其他傳感器節(jié)點所沒有的呼救系統(tǒng)，在危險情況下，礦工可以使用節(jié)點的呼救系統(tǒng)進行求救. 另外，RFD節(jié)點采集的是礦工生命體征信息，如體溫. 上述兩個功能是其他無線傳感器節(jié)點無法實現(xiàn)的.

圖2　RFD節(jié)點設(shè)計原理Fig.2　RFD node design schematic

FFD結(jié)構(gòu)如圖3，F(xiàn)FD由溫濕度和瓦斯傳感器、微控制器模塊、無線通信模塊、報警模塊、RS232接口電路和多功能板以及能量管理模塊組成.

在FFD的硬件設(shè)計中，加入了多功能板和RS232接口電路. 多功能板上載有氧氣、風速、一氧化碳和二氧化碳等多種傳感器，可在多種任務(wù)間進行選擇和切換，用來滿足不同的任務(wù)需求. 在設(shè)計中加入RS232接口電路是為了方便FFD與PC機之間的通信.

圖3　FFD節(jié)點設(shè)計原理Fig.3　FFD node design schematic

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中存在的最大問題就是能量問題，一旦節(jié)點中的電池電量耗盡，節(jié)點就將退出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，給工作帶來巨大的不便. 為此， RFD和FFD兩種節(jié)點均采用低功耗芯片，盡量減少能量的消耗. 由于FFD是固定在巷道內(nèi)的，所以FFD設(shè)計中采用雙電源供電. 附近有電纜的FFD可以使用固定電源供電，當切斷固定電源時，F(xiàn)FD自動切換為電池供電.

2.3　節(jié)點的軟件設(shè)計

2.3.1節(jié)點的操作系統(tǒng)

TinyOS是面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng), 它采用高效的基于事件的執(zhí)行方式, 使用組件模型以實現(xiàn)高效率的模塊化、構(gòu)造組件型應(yīng)用軟件. 支持多跳通信的傳感器應(yīng)用程序的組件結(jié)構(gòu)[2]如圖4.

圖4　應(yīng)用程序的組建結(jié)構(gòu)Fig.4　Structure of the application program

該系統(tǒng)中傳感器節(jié)點采用TinyOS. 將TinyOS移植到以mega16為控制核心的硬件平臺.

2.3.2系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

礦井環(huán)境監(jiān)測最基本的要求是及時有效地傳遞信息,發(fā)布預(yù)警消息,保證井下安全. 為此,本設(shè)計開發(fā)的系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu). 完全的網(wǎng)狀拓撲控制要消耗傳感器節(jié)點較多能量,為了在滿足網(wǎng)絡(luò)連通的前提下,盡可能地節(jié)約能量,在礦井的每個工作面部署的大量節(jié)點中選取少數(shù)節(jié)點作為骨干網(wǎng)節(jié)點,打開其通信模塊,關(guān)閉其數(shù)據(jù)采集模塊,由骨干節(jié)點建立一個通信網(wǎng)絡(luò)，非骨干節(jié)點的通信模塊負責數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā). 這樣既保證了原有覆蓋,也在很大范圍內(nèi)節(jié)約了能量. 網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信拓撲結(jié)構(gòu)如圖5.

骨干節(jié)點需要調(diào)節(jié)非骨干節(jié)點的工作,負責數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā),能量消耗非常大. 通常由網(wǎng)絡(luò)自身周期性地監(jiān)測各節(jié)點的能量狀態(tài)，并自動更換骨干節(jié)點來均衡網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的能量消耗. 選取所有節(jié)點中能量大于某一設(shè)定值的少數(shù)幾個節(jié)點作為骨干節(jié)點,其余節(jié)點選取離自己距離最近的骨干節(jié)點作為自己的控制節(jié)點.

2.3.3節(jié)點定位

在定位過程中 ,要考慮以下4個關(guān)鍵技術(shù). 1)網(wǎng)絡(luò)間的區(qū)分:可以由網(wǎng)絡(luò) ID和頻段來區(qū)分. 2)節(jié)點的標識:每個節(jié)點具有64位的永久地址,可以將其作為唯一標識. 3)定位判別:由于移動節(jié)點 RFD可由一個網(wǎng)絡(luò)進入另一個網(wǎng)絡(luò),由具有路由功能的FFD節(jié)點決定其所在網(wǎng)格. 可以在FFD接收到RFD的通信協(xié)議包中設(shè)置信號參數(shù),根據(jù)參數(shù)值的大小、信號的強弱確定工作人員的具體位置[3].

基于上述3個關(guān)鍵技術(shù),在系統(tǒng)工作時,需要井下人員佩帶RFD節(jié)點,該節(jié)點定時發(fā)出通信協(xié)議包,該數(shù)據(jù)包為一種握手信息,并由置于井下巷道的最近的FFD節(jié)點接收,根據(jù)通信協(xié)議包中設(shè)置的信號參數(shù)的強度判斷其位置. FFD根據(jù)表驅(qū)動路由算法選擇最優(yōu)的通信路徑,通過其他的FFD以多跳通信的方式或直接把數(shù)據(jù)包以有線的方式實時地傳輸?shù)降孛婵刂浦行?從而實現(xiàn)集中控制管理,達到實時判知人員位置的目的.

2.3.4路由協(xié)議

路由協(xié)議是通過一定的路由選擇算法進行路由選擇，為RFD和FFD動態(tài)選擇父節(jié)點，從而為消息傳遞提供一個穩(wěn)定的線路. 在環(huán)境監(jiān)測中,需要定期實時準確地傳輸監(jiān)測到的數(shù)據(jù),而節(jié)點由于有限的能量和工作環(huán)境的惡劣存在失效問題,路由協(xié)議要保證即使部分節(jié)點失效,整個系統(tǒng)也能正常工作[3].

目前,基于位置信息的無線傳感器網(wǎng)路的協(xié)議主要有GPSR[4]、GAF[5]、GEAR[5]等. 本設(shè)計的系統(tǒng)采用的路由協(xié)議在綜合這幾個路由協(xié)議的基礎(chǔ)上進行改進，以適合煤礦井下環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的需求，采用基于位置信息和網(wǎng)絡(luò)梯度的貪婪路由算法. 位置信息由上述的節(jié)點定位算法獲得，網(wǎng)絡(luò)梯度是以信息源節(jié)點到 sink節(jié)點的跳數(shù)來度量的. 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)梯度越小，其優(yōu)先級越高,節(jié)點向周圍鄰居節(jié)點中網(wǎng)絡(luò)梯度最小(即優(yōu)先級最高)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),當遇到相同梯度等級的節(jié)點時,綜合其中位置信息和節(jié)點剩余能量等情況來決定向哪一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，最終數(shù)據(jù)傳遞到sink節(jié)點，并送到地面監(jiān)控中心，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議.

3　結(jié)　論

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)控，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng). 該安全監(jiān)控系統(tǒng)一方面可以實時監(jiān)控現(xiàn)場的環(huán)境情況，另一方面還可以實時采集礦工生命體征信息. 另外，系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點還具有呼救功能，在危險情況下，礦工可以使用節(jié)點的呼救功能進行求救，從而提高了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全性能. 因此，本文提出的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)非常適合于我國煤礦的安全監(jiān)控需求.