李瑞華，喬玉峰，劉 峰

（1．榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000；2．中國聯(lián)通榆林分公司 陜西 榆林　719000）

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井安全檢測系統(tǒng)設計

李瑞華1，喬玉峰2，劉 峰1

（1．榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000；2．中國聯(lián)通榆林分公司 陜西 榆林719000）

為了解決目前煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，加強煤礦安全監(jiān)測的準確性、實時性。提出了基于物聯(lián)網(wǎng)體系框架的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術對礦井下的煤礦安全生產(chǎn)的自然因素的指標通過無線數(shù)據(jù)通訊的數(shù)據(jù)感知和采集，實現(xiàn)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)架構，重點研究了礦井監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構、各無線節(jié)點接入技術的設計，從而提高煤礦安全監(jiān)測的實時性和準確性。

物聯(lián)網(wǎng)技術；無限傳感網(wǎng)絡；匯聚節(jié)點；ZigBee

煤炭企業(yè)由于在地下作業(yè)，工作環(huán)境惡劣，工作區(qū)域狹窄、照明差、潮濕、存在有害氣體等很多不安全因素，致使煤礦安全事故頻發(fā)、傷亡嚴重［1］。為了有效的降低煤礦事故所帶來的損失，近幾年來，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。雖然目前我國大多數(shù)礦井已經(jīng)安裝了安全監(jiān)控系統(tǒng)，但都是基于實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸大部分采用的RS485/FSK中線樹架構或者“以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線”模式［2］，采用私有的通訊協(xié)議進行信息的傳輸與交互，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合主要通過上位機實現(xiàn)。

1　傳統(tǒng)煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)伴隨著采掘業(yè)的生產(chǎn)自動化與機械化的不斷推進，其生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)過程的管控模式發(fā)生重大變化，通過對傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)拓樸結構如圖1所示進行分析。主要存在如下的突出問題：

1）煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)彼此獨立、自成體系，控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)不能實現(xiàn)聯(lián)動；對影響煤礦安全的環(huán)境因素都是基于離散點的監(jiān)測，覆蓋面小，不夠靈活，存在著“信息孤島”現(xiàn)象，信息資源難于共享。

圖1　傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結構圖Fig．1　Structure of coal mine safety monitoring system of the traditional

2）不支持傳感器組網(wǎng)、缺乏傳感層面信息融合與綜合分析判定。傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯由分站和中心站完成，交叉控制執(zhí)行時間為系統(tǒng)。

基于上述分析，本文提出基于射頻識別、無限傳感器網(wǎng)絡、新型傳感器等技術為一體的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。

2　基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計

2.1基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)架構設計

總體框架是煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)框架系體系如圖2所示，整個框架表示數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、決策分析到信息發(fā)布的流程。

圖2　基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)體系架構圖Fig．2　Block diagram of coal mine safety monitoring system based on the Internet of things technology

1）傳感層功能：完成數(shù)據(jù)采集，采用RFID電子標簽、各種傳感器、視頻攝像頭、二維碼等對礦井采掘過程中的自然環(huán)境的各種影響因素如：溫度、濕度、CO、甲烷、礦壓、頂板壓力、粉塵、水位、電磁干擾、通風等進行實時采集。

2）傳輸層功能：實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，本架構采用有線和無線混合組網(wǎng)的模式，傳感層的有線網(wǎng)接口只要與骨干網(wǎng)絡、核心節(jié)點、關鍵節(jié)點之間的信息傳輸；無限網(wǎng)接口主要實現(xiàn)傳感設備、空間有線無法實現(xiàn)場所間的信息傳輸，是對有限網(wǎng)絡的必要補充。

3）持久層功能：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，通過虛擬技術整合現(xiàn)有的計算、存儲、網(wǎng)絡資源進行數(shù)據(jù)的分析計算、數(shù)據(jù)存儲。

4）應用層功能：系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、預警功能，利用持久層的數(shù)據(jù)分析、計算實時提供礦井的安全指標狀態(tài)。

2.2基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)設計

煤礦物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術主要有［3］：一是傳感曾的無線數(shù)據(jù)采集與感知；二是網(wǎng)絡傳輸層遠程智能化控制對采集到的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析、安全預警。

2.2.1系統(tǒng)硬件設計

傳感與控制模塊設計：數(shù)據(jù)采集與感知，主要通過溫度、濕度、甲烷、CO、通分、頂板壓力等傳感器實時感知獲取的數(shù)據(jù)傳送到ZigBee協(xié)調節(jié)點。

無限節(jié)點模塊設計：系統(tǒng)中各分層節(jié)點中通信模塊軟件設計包括 ZigBee網(wǎng)絡通信和串口通信兩部分［4］，其中ZigBee擴展協(xié)議主要針對低成本、低功耗的射頻應用部分的網(wǎng)管協(xié)調。

電源板：主要對無限節(jié)點與傳感控制等模塊連接，并實現(xiàn)系統(tǒng)供電。

礦井物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計如圖3所示，其中MUC為主控系統(tǒng)，電池模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的供電與連接，傳感器主要實現(xiàn)監(jiān)測點的感知數(shù)據(jù)的采集與獲取，數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡進行上下雙向傳送，PC實現(xiàn)持久層存儲的遠程數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)遠程控制、安全預警。

圖3　基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計Fig．3　The hardware design of coal mine safety monitoring system based on Internet of things

2.2.2系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)的軟件設計主要包括：匯聚節(jié)點通訊模塊設計如圖4所示，匯聚節(jié)點屬于網(wǎng)絡管理者負責構建網(wǎng)絡分配通信地址完成ZigBee組網(wǎng)的角色，在組網(wǎng)過程中需要處理PanID沖突和信道沖突完成組網(wǎng)的功能［5］。

圖4　匯聚節(jié)點通訊模塊設計流程Fig．4　The design of sink node communication module

ZigBee傳感器、路由通訊程序設計如圖5所示ZigBee網(wǎng)絡通信的軟件設計用于驅動 CC2530硬件組建網(wǎng)絡，協(xié)調器設備（匯聚設備節(jié)點）分配給組網(wǎng)內部目標設備通信地址，路由設備路由附近傳感器節(jié)點到協(xié)調器實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路，傳感器加入ZigBee網(wǎng)絡通過無線網(wǎng)絡通信傳輸采集數(shù)據(jù)［6］。

圖5　路由和傳感器通信模塊軟件設計Fig．5　Thedesign of Software aboutrouting and sensor communication module

3　結束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究旨在礦井的生產(chǎn)過程中提高礦井的自動化、智能化，從而實現(xiàn)礦井生產(chǎn)的安全監(jiān)測、行業(yè)的遠程監(jiān)控、故障專家系統(tǒng)的識別、診斷與分析，實現(xiàn)安全預警。

［1］張雪平，楊興全．基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］．電子測試，2014（22）:40-43．

［2］許金．基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)體系架構研究［J］．工礦自動化，2013，39（12）:97-100．

［3］QI Qing-zhong．Strategic thinking of the internet of things and M2M Sevices［J］．International Journal of Online Engineering，2013（993）:77-81．

［4］韓偉聰，俞新武，李忠成．基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設計無限網(wǎng)絡傳感器節(jié)點［J］．計算機應用，2011，20（7）:184-187．

［5］馬小平，胡延軍，繆燕子．物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算技術在煤礦安全生產(chǎn)中的應用研究［J］．工礦自動化，2014，40（4）:5-9．

［6］齊立磊，王超．基于ZigBee的礦井無限傳感器網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)設計［J］．煤礦機械，2013，34（9）:252-254．

Design of coal mine safety monitoring system based on the internet of things

LI Rui-hua1，QIAO Yu-feng2，LIU Feng1
（1.Scholl of Information Engineering，YulinUniversity，Yulin 719000，China；2.Yulin Branch of China Unicom，Yulin 719000，China）

In order to solve the existing problems of coal mine safety monitoring system，enhance the accuracy and the realtime monitoring of coal mine safety．The network of coal mine safety monitoring system based on the framework of the matter is be put forward．The system makes use of the Internet of things sensing technology of the mine safety production of the coal mine natural factor through the wireless data communication data sensing and acquisition，coal mine safety monitoring system architecture，the design focuses on the architecture of Internet of things is the mine monitoring system，the wireless nodes access technology，so as to improve the real-time performance and accuracy of coal mine safety monitoring．

internet of things；wireless sensor network；sink node；ZigBee

TN711

A

1674－6236（2016）02-0135-02

2015-04-07稿件編號：201504045

榆林市科技局科研項目（GY13-14）；陜西省教育廳項目（2013JK11151）

李瑞華（1978—），女，陜西綏德人，碩士，副教授。研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、物聯(lián)網(wǎng)。