【摘 要】煤礦井下環(huán)境惡劣，給煤礦安全生產(chǎn)和礦工的身心健康帶來很大威脅，建立礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對保證礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案中，設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型，并對方案中的關(guān)鍵技術(shù)進行可行性分析。分析表明，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有實用性和可行性。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；礦井環(huán)境；監(jiān)測系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)

1.引言

我國的煤炭生產(chǎn)主要來源于地下開采，井下生產(chǎn)條件很惡劣，如：噪聲大、粉塵濃度和有毒氣體濃度較高。長期在這種環(huán)境中從事生產(chǎn)工作，會影響礦工的身心健康，同時給煤礦安全生產(chǎn)也帶來隱患。由于礦井結(jié)構(gòu)的復雜性，井下的重要環(huán)境信息如溫度、濕度、壓力、風速以及有毒氣體濃度等，很難用有線通信手段實時地監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Network）作為一種新型的無線通信技術(shù)，應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的分析和設(shè)計之中，不僅為礦井安全生產(chǎn)管理和事故救援提供可靠的技術(shù)支持，而且為類似礦井的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的分析和設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實例。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各個節(jié)點協(xié)作地感知、收集和處理被監(jiān)測區(qū)域中感知對象的信息，通過對這些信息的協(xié)作式處理，獲得感知對象的準確信息。因此，傳感器、感知對象和觀測者構(gòu)成了WSN的三要素[1]。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)

典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和任務(wù)管理節(jié)點等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點隨機部署在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點都可以收集數(shù)據(jù)，并通過“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點和其他相鄰節(jié)點。匯聚節(jié)點直接與互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星相連，通過互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星實現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點與傳感器節(jié)點之間的通信。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行管理和配置，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)并收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.1.2 傳感器節(jié)點的功能模塊結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備是傳感器節(jié)點。一般來說，傳感器節(jié)點由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成。其中傳感器模塊由各類傳感器及數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備組成，主要用于感知被監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境信息，并將其感知到的信息數(shù)據(jù)傳送給處理器模塊；處理器模塊主要負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分工作，如對感知模塊獲取的信息進行處理、保存，控制數(shù)據(jù)采集操作和電源的工作模式等；無線通信模塊主要負責與其它傳感器節(jié)點及觀測者的通信；能量供應(yīng)模塊提供傳感器節(jié)點正常工作所必需的能源，它是影響節(jié)點壽命的關(guān)鍵因素。無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

2.2.1 傳感器節(jié)點體積小，成本低，具有自適應(yīng)性

無線傳感器中應(yīng)用的傳感器節(jié)點各部分集成度很高，因此具有體積小的優(yōu)點。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點組成，制造成本低。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可在比較惡劣環(huán)境下工作，比如礦井、礦山，經(jīng)常有節(jié)點失效或新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很好的可靠性和自適應(yīng)性。

2.2.2 電源能量是網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在惡劣環(huán)境或人不宜到達的區(qū)域，電池能量有限，且一般無補充能源，傳感器節(jié)點由于電源能量的原因經(jīng)常失效或廢棄，因此如何提高電源效率是設(shè)計節(jié)點考慮的關(guān)鍵因素。

2.2.3 數(shù)據(jù)管理與處理是傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最鮮明的特點就是以數(shù)據(jù)為中心，傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須以對感知數(shù)據(jù)的管理和處理為核心，把數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密結(jié)合，從邏輯概念和軟、硬件技術(shù)等幾個方面考慮其系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.MEMSoWSN系統(tǒng)方案設(shè)計

MEMSoWSN是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的簡稱，系統(tǒng)方案基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建，以實現(xiàn)對礦井環(huán)境監(jiān)控和管理。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析設(shè)計

圖2為礦井環(huán)境及人員監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。該監(jiān)測系統(tǒng)可分為兩個子系統(tǒng)，采集與傳輸系統(tǒng)（井下部分）和監(jiān)測與管理系統(tǒng)（地面部分）。

圖2 MEMSoWSN整體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 采集與傳輸系統(tǒng)

采集與傳輸系統(tǒng)主要包括移動節(jié)點、路由節(jié)點以及匯聚節(jié)點，實現(xiàn)對礦井生存環(huán)境等信息的采集與傳輸。其中，移動節(jié)點和路由節(jié)點都是傳感器節(jié)點，主要收集井下環(huán)境信息，不參與多跳轉(zhuǎn)發(fā)，只將本節(jié)點感知的信息發(fā)送給鄰近路由節(jié)點；路由節(jié)點參與多跳轉(zhuǎn)發(fā)，并感知礦井空氣中有害氣體的濃度和成分（瓦斯、一氧化碳等）以及礦井中空氣的物理狀態(tài)（如風速、負壓、溫濕度等），將感知的數(shù)據(jù)根據(jù)路由協(xié)議發(fā)送出去；匯聚節(jié)點的作用是實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)和管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，相當于系統(tǒng)之間的一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

3.3 監(jiān)測與管理系統(tǒng)

監(jiān)測與管理系統(tǒng)包括監(jiān)控中心計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控軟件等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點傳給監(jiān)控中心并存入數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)的變化對人員及井下環(huán)境進行管理控制。

3.4 數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計

MEMSoWSN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程是：首先由傳感器節(jié)點進行井下環(huán)境信息實時采集，經(jīng)其內(nèi)置的處理單元簡單處理后發(fā)送給鄰近路由節(jié)點，路由節(jié)點通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面信息監(jiān)控中心，信息監(jiān)控中心將接收到的匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)進行分析，以得到有用的井下環(huán)境信息，最后將分析結(jié)果展現(xiàn)給管理員。

3.5 傳感器節(jié)點設(shè)計

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信原理和單片機知識，可設(shè)計如圖3所示的傳感器普通節(jié)點，圖4所示的匯聚節(jié)點。

圖3 普通節(jié)點示意圖

圖4 匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

3.6 信息監(jiān)控中心設(shè)計

信息監(jiān)控中心主要功能是接收匯聚節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)，分析井下環(huán)境狀況。它主要由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、信息監(jiān)控服務(wù)器等組成。網(wǎng)關(guān)服務(wù)器用來與匯聚節(jié)點進行通信，實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用來分類存儲傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的井下信息，同時與信息監(jiān)控服務(wù)器進行通信；信息監(jiān)控服務(wù)器運行監(jiān)控軟件，分析并顯示井下環(huán)境狀態(tài)。

監(jiān)控軟件是信息監(jiān)控中心的關(guān)鍵部分。它由實時顯示模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊、告警管理模塊和系統(tǒng)維護模塊組成，如圖5所示。實時顯示模塊動態(tài)顯示井下環(huán)境信息；數(shù)據(jù)查詢模塊實現(xiàn)礦工信息精確查詢、路由節(jié)點工作狀態(tài)查詢以及所關(guān)心節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)的查詢等；數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊統(tǒng)計系統(tǒng)工作情況；告警管理模塊對各種傳感器數(shù)據(jù)進行閾值限制，當出現(xiàn)非正常情況時進行告警，以便使管理員及時做出響應(yīng)；系統(tǒng)維護包括登錄人員管理、系統(tǒng)界面維護以及系統(tǒng)密鑰管理等。

圖5 監(jiān)控軟件功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.7 實用性和可行性分析

底下礦井空間狹窄、密閉、地質(zhì)狀況多樣，不易布設(shè)有線設(shè)備監(jiān)測點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點體積小，成本低，可以隨意撒放于任何不規(guī)則空間，它們感知被測區(qū)域信息并相互傳遞，使有線設(shè)備難以獲取的數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點和路由節(jié)點最終到達監(jiān)控中心，實現(xiàn)礦井環(huán)境信息的實時監(jiān)測。

設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用或試驗時，通常使用ZigBee通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。同時，考慮到井下通信的一些特殊要求，比如：礦井巷道的半封閉空間結(jié)構(gòu)以及煤的電介質(zhì)特性使得礦井在頻率較高的情況下類似于波導，可以在2.4GHz頻段工作，使高頻無線電信號在礦井中更為有效地直接傳輸。許多學者已經(jīng)對無線信號在礦井中的傳輸進行了試驗，結(jié)果證明其傳播性能較好[2]。2.4GHz頻段又是全球通用的工業(yè)、科學、醫(yī)學（ISM，Industrial，Scientific and Medical）頻段，免付費、免申請，在此頻段上天線尺寸和芯片功耗可以設(shè)計的更小，井下通信非常適合用。在實驗室，應(yīng)用OPNET（Optimal Network Engineering Tools）仿真開發(fā)工具OPNET Modeler，即可進行仿真實驗。

4.總結(jié)與展望

本文結(jié)合礦井環(huán)境的特點，通過分析無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特征，分析設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)模型，結(jié)合相應(yīng)的無線通信技術(shù)及其路由協(xié)議即可進行仿真。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及礦井環(huán)境檢測手段的不斷提高，今后的研究工作還將進一步擴展。可從以下幾個方面提升系統(tǒng)的整體功能，如增加傳感器節(jié)點的功能，引入聲音和視頻等多媒體傳感器，使管理人員對井下情況一目了然。結(jié)合WSN數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提高數(shù)據(jù)收集效率，獲得更準確的井下信息，節(jié)省節(jié)點的能量延長其壽命等。

參考文獻：

[1]李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)管理的概念、問題與進展[J].軟件學報，2003，14(10):

1717-1727.

[2]曹育紅.礦井無線通信系統(tǒng)的頻率選擇[J].工礦自動化，2005(4):38-40.

作者簡介：高文玲（1973—），女，碩士，西安外事學院工學院高級工程師。