摘要：傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)很難及時對煤礦的井下狀況進行監(jiān)測，而無線傳感技術能能夠克服這一局限，所以出現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。本文探討了無線傳感網(wǎng)絡在瓦斯監(jiān)測中的應用情況，并根據(jù)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的投入使用情況，提出了相應的方案。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡；瓦斯監(jiān)測；應用

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 15-0000-02

煤礦的生產(chǎn)安全影響到我國國民生產(chǎn)的發(fā)展。在煤礦企業(yè)的運作過程中，瓦斯事故帶來的危害最大，而且有著最高的死亡率。而瓦斯涌出狀況大多數(shù)發(fā)生在采掘面，這就使煤礦的瓦斯監(jiān)測工作變得困難起來。而無線傳感網(wǎng)絡技術成為解決這一難題的突破口。文章討論了無線傳感網(wǎng)絡技術的優(yōu)勢和實際應用，并提出了煤礦企業(yè)的瓦斯檢測系統(tǒng)建設方案。

1 無線傳感網(wǎng)絡技術的優(yōu)勢

1.1 有線傳感網(wǎng)絡的不足

（1）布線工作復雜，勞動強度高。

（2）相對來說，監(jiān)測點比較固定，所以容易產(chǎn)生監(jiān)測盲區(qū)。

（3）網(wǎng)絡結構比較固定，不能適應采掘面不斷延伸的動態(tài)需求。

（4）通信線路易受損壞，而且損壞后的的修復周期較長。

（5）由于維護費用高，造成了邊維護、邊生產(chǎn)的現(xiàn)象，有些企業(yè)甚至不進行維護。

1.2 無線傳感網(wǎng)絡技術的工作原理

無線傳感網(wǎng)絡由大量的微型傳感器組成，每一個傳感器都是一個節(jié)點，這些節(jié)點組成了一個網(wǎng)絡。由微型傳感器組成的網(wǎng)絡能夠通過相互協(xié)作對環(huán)境信息進行監(jiān)測、感知和采集，并能夠處理數(shù)據(jù)，然后將處理信息傳送給監(jiān)測中心，從而為用戶端提供相應的管理服務。無線傳感網(wǎng)絡一般由檢測中心、匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點組成。眾多的傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域周圍和內部隨機分布，然后以自組織的方式組成一個網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點所檢測到的數(shù)據(jù)通過其他節(jié)點逐跳傳輸，然后被送到匯聚節(jié)點，最后借助衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)被發(fā)送到檢測中心。用戶可以在監(jiān)測中心進行傳感器網(wǎng)絡的配置與管理，還可以進行監(jiān)測任務的發(fā)布和監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集。

1.3 無線傳感網(wǎng)絡技術的應用

無線傳感網(wǎng)絡將傳感器技術、嵌入式技術、遙控技術、遙測技術、無線通信技術和分布式信息技術綜合在一起，最初是由美國的高級國防研究中心提出和實施，原本是用于軍事目的。這項技術被認為是21世紀十大重要新技術之一?，F(xiàn)在，無線傳感網(wǎng)絡技術的應用范圍十分廣泛，它可以用于移動目標跟蹤、有害氣體監(jiān)測、環(huán)境變化檢測等。

1.4 無線傳感網(wǎng)絡技術應用于瓦斯監(jiān)測的優(yōu)勢

（1）傳感器網(wǎng)絡有大量的節(jié)點，而且節(jié)點的分布密度很大，每一個節(jié)點又能進行一定的數(shù)據(jù)融合。所以，如果采用無線傳感網(wǎng)絡技術，既可以將整個網(wǎng)絡的能量消耗降到最低，又能保證所獲取信息的準確性。

（2）如果節(jié)點有數(shù)量的增減和位置的變動，或者個別的節(jié)點有故障出現(xiàn)，網(wǎng)絡都能夠進行自我修復。網(wǎng)絡能夠對各種變化做出反應，對拓撲結構做出相應的調整，從而使網(wǎng)絡的功能正常運轉。這樣，在沒有人工干預的情況下，系統(tǒng)就有了動態(tài)的可重構能力。

（3）無線傳感器的節(jié)點有著一定的信息儲存能力和數(shù)據(jù)運算能力，這樣，就能對環(huán)境物理性質的變化進行較為復雜的監(jiān)測。即使礦井的結構被破壞，網(wǎng)絡依然能夠通過自我修復將信息及時傳遞出來。

（4）如果將傳感器節(jié)點放置在礦工的身上或者是機械上，就可以對采掘面進行監(jiān)測，收集到相關信息，從而避免了監(jiān)測盲區(qū)的出現(xiàn)，進而使得監(jiān)測系統(tǒng)的信息全面性有保障。

2 無線傳感器網(wǎng)絡在瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的應用狀況

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡的功能

無線傳感器網(wǎng)絡應用于煤礦的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，主要發(fā)揮以下兩種功能：意識實時監(jiān)測礦井種的瓦斯氣體濃度；二是在煤礦開采過程中對開采面瓦斯突然冒出問題進行解決。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點分類

根據(jù)以上兩種功能，無線傳感器網(wǎng)絡中應該有兩種基本的節(jié)點，一類是固定節(jié)點。這類節(jié)點分布在礦井內的固定位置，用于礦井內瓦斯氣體濃度的檢測。這類節(jié)點能夠及時將瓦斯氣體的濃度數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。如果瓦斯?jié)舛冗^高，就會有警報信號發(fā)出。在設計這類節(jié)點時，沒有特別的重量和體積要求，但是要求數(shù)據(jù)采集的范圍比較廣。另一類是移動節(jié)點。這類節(jié)點被安放在礦工身上，從而對開采環(huán)境的瓦斯?jié)舛冗M行實時的監(jiān)測，預防采掘面出現(xiàn)瓦斯突然冒出的危險。這類節(jié)點要求要設計得重量輕、體積小，不增加佩戴者的負重感。移動節(jié)點的監(jiān)測范圍可以比較小。

2.3 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的協(xié)作

每一個傳感器節(jié)點都兼有傳統(tǒng)的終端功能和路由器的功能。除了對本地信息和數(shù)據(jù)進行收集和處理外，每一個節(jié)點還擔負著為其他節(jié)點儲存、管理、融合、轉發(fā)數(shù)據(jù)的功能。除此之外，每一個節(jié)點都與其他節(jié)點相互協(xié)作，完成特定的任務。

2.4 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的工作流程

瓦斯監(jiān)測模塊對采集所得數(shù)據(jù)進行A/V轉換，生成數(shù)字信號；對數(shù)字信號進行量化編碼后輸送到處理器模塊；處理器模塊對數(shù)字信號做出相應的處理，然后按照一定的協(xié)議和規(guī)則對其進行轉換，整理成待發(fā)的幀數(shù)據(jù)；待發(fā)的幀數(shù)據(jù)被住送到無線通信模塊，然后通過無線通信模塊對外發(fā)射。

2.5 無線傳感器網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的構建方法

（1）在巷道中，每隔幾十米安放一個固定節(jié)點，在每一個礦工的身上佩戴一個移動節(jié)點。這樣，礦工身上的節(jié)點和巷道中的節(jié)點就組成了一個無線傳感器網(wǎng)絡。

（2）在礦井入口處設置一個具備網(wǎng)關功能的傳感器節(jié)點作Sink節(jié)點，Sink節(jié)點可以具備功能信號增強，從而保證內存和計算資源得到足夠的能量供應；也可以是有無線通信接口但是沒有監(jiān)測功能的特殊網(wǎng)關。Sink節(jié)點能夠在無線傳感器網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的協(xié)議轉換。同時，能夠發(fā)布檢測任務，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)布到外部網(wǎng)絡上，最后將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心。

3 煤礦企業(yè)建設無線傳感器網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的方案

Sink節(jié)點的放置位置在井口，這樣及兼顧了瓦斯泄露突發(fā)的多發(fā)區(qū)域，有不會放過相對安全的區(qū)域。這種設置方式對于一些新開的礦井和原本就在瓦斯監(jiān)測方面投資很少的小規(guī)模企業(yè)來說，效果很好，但是對于一些剛剛在瓦斯監(jiān)測方面投入了打量資金的企業(yè)，如果要毀掉原有的設施，以這樣的標準對系統(tǒng)進行重建，則不僅造成人力、物力、財力的巨大浪費，而且會因此引發(fā)員工的不滿。所以，應該根據(jù)企業(yè)的實際情況進行適宜的系統(tǒng)建設。

（1）新開的煤礦，沒有安裝有線檢測設備的煤礦或者是雖然安裝了設備但設備老化現(xiàn)象嚴重、無法起到監(jiān)測功能的煤礦都可以直接采用在井口放置Sink節(jié)點，再井內和礦工身上分別設置固定節(jié)點和移動節(jié)點的方式來進行網(wǎng)絡建設。

（2）如果煤礦的開采時間已經(jīng)比較長或者是礦井內的巷道有較多的曲折路段，可以在巷道的轉折處設置幾個功能較強的轉發(fā)節(jié)點，在每一段通道的中間放置一個或者少量的幾個功能較強的節(jié)點。如果礦井內的巷道較多，則可以適當在每個巷道中安放幾個功能較強的管理節(jié)點。這些管理節(jié)點的功能相當于簇頭節(jié)點，能夠對所轄區(qū)域內的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進行收集、匯聚、融合、存儲和轉發(fā)。

（3）如果煤礦企業(yè)已經(jīng)將大量的資金投入到了有線監(jiān)測設備上，在組建監(jiān)測系統(tǒng)時，可以將Sink節(jié)點放置在主干道與分支巷道的交匯處，并在巷道中安置無線傳感節(jié)點。先組建起有線與無線混合的監(jiān)測系統(tǒng)，在挖掘新巷道和廢氣舊巷道的過程中，適當增減和移動傳感器節(jié)點以適應檢測系統(tǒng)的實際需求。在時機成熟后，將整個系統(tǒng)改裝成一個無線傳感網(wǎng)絡。

4 總結

在煤礦的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網(wǎng)絡，能有效提高監(jiān)測的實時性和靈活性，從而為瓦斯災害的預警提供了及時的信息和技術保證?？梢灶A見無線傳感器網(wǎng)絡在瓦斯監(jiān)測中的應用前景是非常廣闊的。

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