董智勇, 張書欽, 董躍鈞

(中原工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 450007)

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國(guó)煤礦百萬噸死亡率(煤礦主要的安全考核指標(biāo))是美國(guó)的100倍、俄羅斯的10倍.國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局令第21號(hào)文件第6條規(guī)定：煤礦必須建立運(yùn)行可靠的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，必須裝備運(yùn)行可靠的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)和傳感器的安裝、使用、維修，必須符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的要求.因此，建立礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)煤炭的安全生產(chǎn)與效益兼顧，已成為我國(guó)煤炭企業(yè)迫在眉睫的首要任務(wù).

1 國(guó)內(nèi)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

1.1 國(guó)內(nèi)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)礦井在20世紀(jì)90年代引進(jìn)了Senturion-600監(jiān)控系統(tǒng).同時(shí)，在“六五～十五規(guī)劃”期間相繼自行研制了KJ系列的監(jiān)控系統(tǒng)以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)等[1]，但礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)并不盡如人意.

1.2 國(guó)內(nèi)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問題

(1)基本采用有線通信的方式，布線難度大，一旦線路損壞，數(shù)據(jù)丟失，將無法滿足實(shí)時(shí)測(cè)控的要求.

(2)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差.礦井巷道復(fù)雜，肯定有難以鋪設(shè)線纜的地方，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法擴(kuò)展.

(3)傳感器結(jié)點(diǎn)的數(shù)量少，容易導(dǎo)致監(jiān)測(cè)盲區(qū)[2].

(4)通信線路維護(hù)成本高，一些煤礦邊維護(hù)、邊生產(chǎn)，甚至有些煤礦干脆不維護(hù)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)安全.

(5)定位困難.井下接收不到GPS的定位信息，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)不具備定位功能，不能對(duì)井下的工作人員進(jìn)行定位[3].

為了解決上述礦井安全監(jiān)測(cè)方式的缺陷，我們?cè)O(shè)計(jì)了礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量的無線傳感器結(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的自組織系統(tǒng)，一般包含有無線協(xié)調(diào)器、無線路由器和無線傳感器終端，它們可以實(shí)現(xiàn)協(xié)作地感知、采集和處理監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將之層層轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測(cè)機(jī).

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控管理子系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Architecture of the system

2.2 監(jiān)控管理子系統(tǒng)

監(jiān)控管理子系統(tǒng)主要由一臺(tái)監(jiān)控機(jī)(安裝有監(jiān)控軟件)和一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成.監(jiān)控機(jī)主要負(fù)責(zé)通過Sink結(jié)點(diǎn)匯聚井下所有無線傳感器終端采集的監(jiān)控信息，并對(duì)之進(jìn)行參數(shù)配置或發(fā)布操作指令；當(dāng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)值超過預(yù)設(shè)閥值時(shí)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)圖標(biāo)的閃爍和聲音報(bào)警；動(dòng)態(tài)顯示拓?fù)渎酚?；將監(jiān)控到的信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中.數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并提供查詢功能.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要由一個(gè)Sink結(jié)點(diǎn)、若干個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、 ZigBee主路由器、 ZigBee無線備用路由器以及ZigBee傳感器結(jié)點(diǎn)等組成.

Sink結(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和監(jiān)控管理子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，功能相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān).

ZigBee協(xié)調(diào)器：固定在坑道內(nèi)的固定支架上，主要負(fù)責(zé)組建、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)等工作.

主ZigBee路由器：固定在坑道內(nèi)的固定支架上，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自于ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee無線傳感器與其他ZigBee路由器的數(shù)據(jù).

備用ZigBee路由器：固定在坑道內(nèi)的固定支架上，主要負(fù)責(zé)在主ZigBee路由器發(fā)生故障時(shí)及時(shí)代替主ZigBee路由器的工作.

ZigBee傳感器：主要負(fù)責(zé)按監(jiān)控中心發(fā)來的指令實(shí)時(shí)或定期地采集相關(guān)的監(jiān)測(cè)信息，并將之轉(zhuǎn)發(fā)給鄰近的ZigBee路由器，然后由ZigBee路由器轉(zhuǎn)發(fā)給某ZigBee協(xié)調(diào)器，最后由ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心.

3 系統(tǒng)主要功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)遼寧某煤礦的實(shí)地調(diào)研，我們?cè)O(shè)計(jì)了“礦用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，功能如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)功能圖Fig.2 Function of system

3.2 監(jiān)測(cè)管理子系統(tǒng)主要功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)計(jì)

通過監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)各ZigBee結(jié)點(diǎn)的配置工作，主要包括設(shè)置信道、采集頻率、各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的閥值等.

3.2.2 數(shù)據(jù)處理分析與統(tǒng)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)

采集來的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須經(jīng)處理后，與閥值進(jìn)行比對(duì)，如超過閥值，則進(jìn)行設(shè)備對(duì)應(yīng)圖標(biāo)的閃爍和聲音報(bào)警等；對(duì)一定時(shí)間間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患.

3.2.3 拓?fù)滹@示模塊

對(duì)井下的所有活動(dòng)結(jié)點(diǎn)，每5 min更新一次拓?fù)?，在拓?fù)鋱D上能讀出該移動(dòng)無線設(shè)備的位置.

3.2.4 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢與維護(hù)模塊

將采集到的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定期存放到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，方便以后對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢.

3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.3.1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)

(1)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊的功能由ZigBee傳感器結(jié)點(diǎn)來完成.ZigBee傳感器結(jié)點(diǎn)由無線傳輸模塊(選用TI公司的CC2430)、數(shù)據(jù)處理模塊(選用MSP430)和傳感器模塊(根據(jù)需要，可選用溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯?組成.

(2)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee傳感器模塊上電初始化后，即不停地偵聽信道，如收到睡眠指令，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以保存電量，延長(zhǎng)使用時(shí)間；由于MSP430支持中斷喚醒，且比較器模塊仍然工作，因此即使睡眠仍能感知被監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)變化；如有周期數(shù)據(jù)的采集命令，則按時(shí)序收集并上傳數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)偵聽信道.流程圖如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊流程圖Fig.3 Flow chart of data collection and transmission based on ZigBee sensor

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)組建與維護(hù)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

(1)硬件設(shè)計(jì)

本模塊由ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)；ZigBee協(xié)調(diào)器除了不包含傳感器模塊外，其他和ZigBee傳感器模塊一樣，只不過燒寫了協(xié)調(diào)器的程序而已.

(2)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)所在坑道的組網(wǎng)，允許結(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息

管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)，報(bào)告結(jié)點(diǎn)損壞信息等任務(wù)，其流程如圖4所示.

圖4 網(wǎng)絡(luò)組建與維護(hù)模塊流程圖Fig.4 Flow chart of net built and maintained

4 結(jié) 論

系統(tǒng)經(jīng)在遼寧某煤礦安裝使用，運(yùn)行穩(wěn)定，通過監(jiān)控機(jī)上的監(jiān)控軟件能很好地對(duì)井下各ZigBee結(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的控制和信息收集，采集到的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王凱，梁萬用，胡智宏. 基于ZigBee的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(17)：184-186.

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[3] 張嘉怡，劉建文.ZigBee技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)控技術(shù)，2008(7)：122-125.