李 資，蔣慧強

(1.新疆工業(yè)高等?？茖W校，烏魯木齊830091;2.新疆烏魯木齊市消防局，烏魯木齊830000)

1 引言

目前的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)不能從根本上滿足井下特殊作業(yè)環(huán)境，例如，采掘面大型機械設備的移動、主要設備的現(xiàn)場檢修等臨時施工點，不能滿足和適應傳感器節(jié)點的快速布防和對安全監(jiān)控系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測與實時傳輸?shù)囊螅荒苄纬纱笠?guī)模的監(jiān)控和監(jiān)測信息的實時傳輸，導致井下臨時施工點成為煤礦井下安全隱患r主要場所之一。

針對礦井臨時施工點的網(wǎng)絡監(jiān)控問題，設計了安全監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡，對網(wǎng)絡結構、傳感器節(jié)點的硬件及網(wǎng)絡通信協(xié)議進行了詳細論述。

2 網(wǎng)絡結構

井下臨時施工點傳感器網(wǎng)絡采用典型的星型拓撲結構，網(wǎng)絡架構如圖1所示。

圖1 礦井臨時施工點無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構圖

圖1中信宿節(jié)點放置于井下臨時施工點的安全監(jiān)測區(qū)域中心，無線傳感器節(jié)點則均勻放置在監(jiān)測區(qū)域，信宿節(jié)點中配置液晶顯示模塊、超限聲光報警裝置、無線通信模塊、鍵盤和存儲模塊，無線傳感器節(jié)點配置有無線通信模塊和瓦斯檢測設備(通常為甲烷濃度傳感器)，信宿節(jié)點由收發(fā)天線經(jīng)無線射頻通信鏈路與多個無線傳感器節(jié)點相連，從而構建煤礦井下臨時施工點的安全檢測無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。當在臨時施工點放置好信宿節(jié)點和無線傳感器節(jié)點之后，打開所有節(jié)點的電源開關，信宿節(jié)點和無線傳感器節(jié)點迅速自組織無檢測死角的無線監(jiān)測網(wǎng)絡。

這種無線網(wǎng)絡架構系統(tǒng)的組成結構簡單，可以快速布設和組網(wǎng)，也可以在多個施工點重復使用，關鍵是具有功能復用性的信宿節(jié)點，它可以使得構建的井下網(wǎng)絡具有很強的實用性。

通常情況下信宿節(jié)點用作監(jiān)視器，內置的顯示模塊實時顯示各個無線傳感器節(jié)點的工作情況。如果發(fā)現(xiàn)某個無線傳感器節(jié)點失效，信宿節(jié)點的顯示模塊就顯示失效節(jié)點的標識號，然后工作人員可以及時更換或檢修失效節(jié)點，保證井下臨時施工點監(jiān)測區(qū)域能夠不存在檢測死角。當?shù)V井中有異常情況發(fā)生時，信宿節(jié)點又可作為報警器使用。內置的報警裝置可及時報警異常情況，一旦信宿節(jié)點收到無線傳感器節(jié)點采集的瓦斯?jié)舛瘸鲈O定的安全界限時，報警裝置能立即報警，工作人員可及時撤離或采取有效的安全自救措施。報警裝置的報警上限可以自行設定，可以在不同的臨時施工點視具體情況設定不同的安全界限。

另外，信宿節(jié)點內置的存儲模塊存儲了從無線傳感器節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)，當臨時施工點結束工作后，通過USB接口把數(shù)據(jù)輸入計算機，從而可以查看臨時施工點周圍環(huán)境的瓦斯?jié)舛龋治鐾咚沟膭討B(tài)變化特征，找出潛在的安全隱患。

3 網(wǎng)絡通信協(xié)議的設計

井下臨時設施供電自組織通信協(xié)議主要實現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層，應用層的實現(xiàn)主要考慮具體的井下臨時施工環(huán)境［1］。

(1)物理層

主要負責感知數(shù)據(jù)的信息采集，即臨時施工點周圍環(huán)境參數(shù)的檢測，并對收集的數(shù)據(jù)進行抽樣，包括信號的調制解調、發(fā)送和接收等任務。通常該網(wǎng)絡采用無線電波載波媒體，工作頻段為430Hz/868Hz/915Hz。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層

負責媒體訪問控制和建立節(jié)點之間可靠的通信鏈路，主要由媒體訪問控制MAC組成。系統(tǒng)采用基于預先規(guī)定的媒體訪問控制協(xié)議，首先由信宿節(jié)點向各個無線傳感器節(jié)點發(fā)送一個開始指令，無線傳感器節(jié)點偵聽到指令信息，轉為接收狀態(tài)。各個無線傳感器節(jié)點收到來自信宿節(jié)點的開始指令后，由接收狀態(tài)轉為發(fā)送狀態(tài)，并按ID×2ms(ID為各個節(jié)點的標識號)時間間隔逐個向信宿節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣能避免信道中發(fā)生競爭沖突，造成數(shù)據(jù)包的丟失。

(3)網(wǎng)絡層

主要任務是發(fā)現(xiàn)和維護路由，該網(wǎng)絡采用按需路由協(xié)議，即采用“路由請求/路由應答”機制來建立路由。當節(jié)點需要去往某未知目的的節(jié)點路由時，廣播一個“路由請求”分組至源節(jié)點的所有鄰居。“路由請求”分組包含有“廣播標識”，保證每次廣播被唯一標識，也能夠避免被其他節(jié)點多次轉發(fā)。如果在鄰居節(jié)點中未發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點，鄰居節(jié)點就轉發(fā)該“路由請求”分組，直到“路由請求”分組到達目的節(jié)點或是到達知道去往目的節(jié)點路由的中間節(jié)點，當“路由請求”分組到達目的節(jié)點或是知道去往目的節(jié)點路由的中間節(jié)點時，沿反向路由發(fā)送“路由應答”分組。該路由協(xié)議不僅可以實現(xiàn)鄰居節(jié)點間的單跳路由，也可以實現(xiàn)經(jīng)多個中間節(jié)點轉發(fā)的多條路由。

4 傳感器節(jié)點的硬件設計

無線傳感器節(jié)點的電路結構如圖2所示［3］。

圖2 無線傳感器探測節(jié)點電路結構

從該電路結構可以看出，如果打開電池和電源開關，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器則分別從井下臨時施工點周圍環(huán)境中采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?。從這兩種傳感器輸出的數(shù)據(jù)輸入到信號調理電路，信號調理電路進行預處理，預處理后的數(shù)據(jù)輸入給單片機，由單片機對數(shù)據(jù)作模/數(shù)轉換、打包等進一步處理后，將數(shù)據(jù)輸入無線通信模塊，無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，單片機同時由控制的狀態(tài)指示燈閃爍一次，無線通信模塊亦可將從信宿節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)輸入給單片機。

圖3所示為信宿節(jié)點的電路結構方框圖。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡信宿節(jié)點電路結構

當打開電源開關后，狀態(tài)指示燈亮，按信宿節(jié)點上的0號按鍵，從單片機輸出一個開始指令進入輸入無線通信模塊，無線通信模塊將該指令發(fā)送出去。等待一段時間后，無線通信模塊將接收到的由無線傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)輸入單片機，這時狀態(tài)指示燈滅，單片機對數(shù)據(jù)進行處理后送到顯示模塊顯示，同時送到儲存器儲存。當有異常情況發(fā)生時，單片機控制報警電路報警。當臨時施工點作業(yè)結束后，將USB接口與計算機相連，這時存儲器將記錄的數(shù)據(jù)輸入單片機。單片機將數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口輸入計算機，同時可將計算機中的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口輸入單片機中。

無線傳感器節(jié)點與信宿節(jié)點的通信過程如圖4所示。

圖4 探測節(jié)點與信宿節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信流程

如果打開信宿節(jié)點和無線傳感器節(jié)點電源開關，按信宿節(jié)點的0號按鍵，信宿節(jié)點發(fā)送開始指令。無線傳感器節(jié)點收到開始指令后，由甲烷濃度傳感器和溫度傳感器從周圍環(huán)境采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?，信號調理電路對采集的數(shù)據(jù)做預處理，再由單片機對數(shù)據(jù)進行A/D轉換、打包等處理，然后無線傳感器節(jié)點進入發(fā)送狀態(tài)。無線通信模塊把數(shù)據(jù)包發(fā)送給信宿節(jié)點，信宿節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理，然后顯示模塊顯示各無線傳感器節(jié)點采集的瓦斯?jié)舛?、溫度以及各無線傳感器節(jié)點的工作情況。同時存儲器記錄動態(tài)變化的瓦斯?jié)舛?，當瓦斯?jié)舛瘸藁蛴泄?jié)點失效時，報警電路立即報警。在無線傳感器節(jié)點的工作過程中，可以設定傳感器的采集頻率為1次/s，無線傳感器節(jié)點每發(fā)送/接收一次數(shù)據(jù)，狀態(tài)指示燈就閃爍一次。而信宿節(jié)點在接收/發(fā)送數(shù)據(jù)時，狀態(tài)指示燈則處于一亮一滅的狀態(tài)，當關閉信宿節(jié)點和無線傳感器節(jié)點上的電源開關時，信宿節(jié)點和無線傳感器節(jié)點結束工作。

井下臨時施工點結束工作后，通過信宿節(jié)點上的USB接口把數(shù)據(jù)輸入到計算機進行分析。

5 結束語

該系統(tǒng)針對井下臨時作業(yè)點的實時安全監(jiān)測需求，采用無線傳感器網(wǎng)絡構成無檢測死角的大范圍監(jiān)測網(wǎng)絡，具有組網(wǎng)靈活、數(shù)據(jù)傳輸量大、準確率高等優(yōu)點，可以根據(jù)需要更換網(wǎng)絡節(jié)點。如在甲烷監(jiān)測的基礎上增加瓦斯探測、聲光電氣熱探測、RFID人員檢測等傳感器探頭，從而構成全功能的監(jiān)測網(wǎng)絡。

在設計初期必須保證網(wǎng)絡節(jié)點的低成本、低功耗，隨著開采過程的進行，初期部署的網(wǎng)絡系統(tǒng)可能會轉換為采空區(qū)長期監(jiān)測系統(tǒng)，一般不可再次回收利用，因而必須做到低成本、低功耗。

最后需要強調的是，網(wǎng)絡節(jié)點必須防爆、防潮，符合煤礦井下電氣設備通用要求，否則研制出的系統(tǒng)不宜在井下部署和使用。

［1］ 楊維，周嗣勇，喬華.煤礦安全監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術［J］.煤炭學報，2007，32(6):652-656.

［2］ 馬祖長，孫怡寧.大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議研究［J］.計算機工程與應用，2004，40(11):165-167.

［3］ 馬祖長，喬輝，孫怡寧.一種無線傳感器網(wǎng)絡的設計［J］.儀表技術與傳感器，2003(11):49-51.