張志軍，馬 靜

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 西安 710300)

煤炭生產(chǎn)具有較大的風險，礦工面臨的危險遠遠超過從事其他職業(yè)的人。主要的煤礦開采風險包括：地層控制、地下炸藥、煤爆、顛簸、滑倒、起火、碰撞等。但是，我國使用煤礦安全績效的指標并不包括礦工的實時安全狀態(tài)指標。根據(jù)國家統(tǒng)計的事故數(shù)量，死亡人數(shù)和百萬噸死亡率廣泛用于反映其煤礦主動安全系統(tǒng)的有效性評判，包括誤工受傷人數(shù)、致殘受傷人數(shù)、醫(yī)療傷亡人數(shù)、潛在事件傷亡人數(shù)、致命傷害發(fā)生率等主要用作安全性能指標。因此，應該加入對一線井下礦工的實時安全狀態(tài)監(jiān)測指標。隨著計算機無線網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，無線傳感器技術在工程實踐中得到了廣泛的應用。 由于井下的情況較為復雜，將無線傳感器作為礦工實時安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸工具具有重要意義。利用TD-SCDMA無線傳輸協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，及時傳輸井下作業(yè)的人員的安全指標。采用計算機數(shù)據(jù)庫的調用和處理以及系統(tǒng)的硬件選型，在Java Script程序開發(fā)軟件的基礎上開發(fā)了ActiveX Data Object程序[1]，可以通過自動化監(jiān)測實現(xiàn)礦工的實時安全狀態(tài)監(jiān)測過程的自動化處理。 同時利用 VC++通用程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的存儲和調用。 最后，最終礦工的實時安全狀態(tài)監(jiān)測結果將以曲線的形式顯示在人機交互界面。研究成果為煤礦行業(yè)本質安全化的電氣系統(tǒng)開發(fā)設計提供了依據(jù)。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 系統(tǒng)的體系結構

基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、匯點節(jié)點、傳輸網(wǎng)絡、監(jiān)控中心四部分組成。設計的礦井礦工安全狀態(tài)的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)還可實時監(jiān)測井下瓦斯、濕度、溫度等信號，更重要的是監(jiān)測礦工的工作生理狀態(tài)參數(shù)以及對惡劣礦井環(huán)境的響應參數(shù)，當環(huán)境參數(shù)異常超過限制時可自動報警。

礦工安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由大量密集的無線傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點廣泛分布在煤礦中，以保證數(shù)據(jù)采集的高精度和可靠性[2]。根據(jù)測量要求，可在礦工身體部位部署不同的傳感器，構建自組織網(wǎng)絡。本文設計的礦井多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測一線作業(yè)人員在井下心率、血壓、血氧等信號，且自動向地面主控室發(fā)送預警信號并完成相應控制。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程：①傳感器節(jié)點實時采集地下氣體、風速、溫度、濕度以及礦工心率、血壓、血氧等信號。傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過操作級別的多個路由節(jié)點以多跳路由的方式發(fā)送到中心節(jié)點，將采集到的信息通過電纜發(fā)送到遠程監(jiān)控中心，對數(shù)據(jù)進行處理和分析；②以曲線、圖形和報表的形式顯示，整體系統(tǒng)功能實現(xiàn)分為4個功能層，分別為邊緣感知層、霧決策層、云服務層、管控應用層[3]，如圖1所示。

圖1 礦工安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能應用層

1.2 數(shù)據(jù)采集方案設計

針對礦工安全狀態(tài)實時監(jiān)測，及時輸出隨時間變化的人體生理參數(shù)變化曲線。 數(shù)據(jù)采集窗口的主要功能如下[4]。

(1)接口交互能力。 無線傳感器網(wǎng)絡技術安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)人機交互，接口應該簡單易操作。同時，界面數(shù)據(jù)的清晰顯示可以幫助礦井安全管理人員根據(jù)礦工生理數(shù)據(jù)正確操作設備。軟件界面結合了菜單欄和工具欄，可以為用戶提供方便的操作界面。

(2) 無線網(wǎng)絡通信功能。 系統(tǒng)可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，無線網(wǎng)絡通信模塊采用前端端口和 USB 數(shù)據(jù)接口連接通信設備。 此外，還可以通過服務器端接收數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)提供一種可保存系統(tǒng)內存和硬盤計算容量的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，同時也可以實現(xiàn)高效查詢。礦工狀態(tài)參數(shù)信息采集類型如圖2所示，當?shù)V工生理監(jiān)測參數(shù)超標時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號。 通過語音和純文本數(shù)據(jù)，可以傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以及時采取措施。

圖2 礦工狀態(tài)參數(shù)信息采集類型示意

2 硬件選型設計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的體系結構

礦工安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分為WSN監(jiān)控和PC監(jiān)控控制部分。ZigBee WSN用于收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并定期向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。 協(xié)調器通過RS-485接口將這些實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C。計算機不僅可以自動顯示和存儲這些各種環(huán)境參數(shù)，還可以向WSN或指定的 WSN節(jié)點下載配置信息，實現(xiàn)對WSN或傳感器節(jié)點工作方法的修改。 根據(jù)煤礦監(jiān)測參數(shù)的需要，處理器模塊連接體溫傳感器、心率血氧傳感器、六軸陀螺加速度傳感器、氧傳感器、危害氣體傳感器、溫濕度傳感器等各類傳感器模塊(圖3)[5]。 無線通信模塊主要負責與其他節(jié)點的通信。 此外，數(shù)據(jù)采集與運算處理是關鍵問題，因為一旦某個傳感器節(jié)點耗盡電池的能量，就會退出無線傳感器網(wǎng)絡，因此無線傳感器網(wǎng)絡的功耗應該盡可能低，避免無法再次獲得井下礦工的安全狀態(tài)參數(shù)。

圖3 礦工身體狀態(tài)感知節(jié)點模塊化結構框圖

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計

選擇STM32F103C8T6作為核心芯片[6]，STM32F103C8T6模塊如圖4所示。

圖4 STM32F103C8T6微處理器模塊示意

STM32F103C8T6是一種低功耗、低成本的無線微控制器，適用于IEEE802.15.4和 JenNet的應用[6]。 該設備集成了一個32位RISC處理器，具有完全兼容的2.4 GHz IEEE802.15.4收發(fā)器，192KB的ROM，96KB的RAM，以及豐富的模擬和數(shù)字外圍設備的混合物。 可以構建IEEE802.15.4或ZigBee兼容系統(tǒng)的SMT模塊。 具體而言，192 KB的ROM存儲器可以幫助實現(xiàn)點對點和網(wǎng)格網(wǎng)絡協(xié)議棧的集成RAM，可以支持路由算法和應用控制功能，而不需要增加額外的外部存儲。 深睡眠電壓為0.2 μV，射頻電量為34 mA，收發(fā)靈活性為97 dBm[7]。 這些特點都使一個高效率、低功耗、單片機無線微控制器電池供電的應用。

由于STM32F103C8T6芯片集成度高，可以設計必要的電路，如串行SOCKET、密鑰句柄、LED顯示溫濕度數(shù)據(jù)[8]。 井下采煤工作面和掘進工作面安裝移動傳感器節(jié)點功能板，采集不同地點的瓦斯?jié)舛?。主要由報警電路、?shù)字溫濕度傳感器、液晶顯示器、氣體傳感器板接口、電池和電池電壓檢測電路等組成。 針對STM32F103C8T6芯片的處理能力，設定檢測任務的優(yōu)先級，如圖5所示。

圖5 處理器任務處理優(yōu)先級設置示意

根據(jù)礦井的監(jiān)測要求，需要監(jiān)測多個礦工的生理參數(shù)。瓦斯災害是威脅礦井安全的主要危險之一，也是影響礦工正常生理狀態(tài)的主要不利因素。選擇KGS-20作為氣體傳感器，采用氧化錫作為基本敏感材料來測量瓦斯?jié)舛龋哂泄β实?、精度高的特點，非常適合于氣體濃度的檢測。設計中大多需要溫、濕度監(jiān)測，選用SHT11溫濕度智能傳感器，將溫濕度傳感器、信號處理、A/D轉換器和I2C總線接口集成在一個單片機中，具有數(shù)字信號輸出，具有抗干擾性好、響應速度極快、功耗低等特點[9]。

2.3 協(xié)調器的設計

協(xié)調器節(jié)點不同于傳感器節(jié)點，它主要負責數(shù)據(jù)的收集、集成并傳輸?shù)缴衔粰C，承擔著礦工安全工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集任務。協(xié)調器節(jié)點主動掃描其礦井覆蓋區(qū)域內所有的在職礦工，通過傳感器節(jié)點和電纜將傳感器節(jié)點與監(jiān)控中心連接。一方面，它將監(jiān)控中心的命令發(fā)送到WSN；另一方面，它打包無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位機。 協(xié)調器節(jié)點硬件設計不同于傳感器節(jié)點，它不僅擴展了RS485通信接口，而且使用電纜供電，當電纜供電異常時，自動切換到備用電池。

3 系統(tǒng)軟件程序設計

3.1 軟件架構

系統(tǒng)軟件采用模塊程序結構設計，以使移植方便、資源共享。 系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集和存儲模塊、報警模塊和有線通信模塊等(圖6)。

圖6 云服務程序的開發(fā)結構模塊

軟件設計主要采用Java Script程序編寫，結合Labview負責采集的數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲等。 當采集的數(shù)據(jù)超過預警限制時，監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出預警信息，并采取有效措施防止礦工的人身安全受到嚴重的威脅。軟件架構的頂層設計為云服務層程序的設計，為了減小后端的運行計算壓力，采用統(tǒng)一接收數(shù)據(jù)并在云端儲存、決策數(shù)據(jù)，對復雜的礦工安全狀態(tài)參數(shù)進行集中式的管控、存儲和收發(fā)[10]。

3.2 終端節(jié)點的軟件設計

無線傳感器網(wǎng)絡包括終端節(jié)點、協(xié)調節(jié)點。在煤礦建立了一個礦工數(shù)據(jù)端口網(wǎng)絡。 利用TD-SCDMA通信協(xié)議，煤礦監(jiān)測區(qū)域內隨機分布的許多傳感器節(jié)點，通過自組織和實時環(huán)境信息采集形成礦工監(jiān)測網(wǎng)絡。 初始化后，數(shù)據(jù)沿網(wǎng)絡傳輸，并通過多跳路由發(fā)送給協(xié)調器。協(xié)調器節(jié)點初始化網(wǎng)絡，廣播其網(wǎng)絡地址和掃描通道。終端節(jié)點在初始化后嘗試尋網(wǎng)和入網(wǎng)，若成功入網(wǎng)，將設置中斷，進入低功耗工作模式，處理器處于空閑狀態(tài)。當中斷到達時，系統(tǒng)將發(fā)送采集請求信號，節(jié)點將進入工作，收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰的協(xié)調器節(jié)點。如果它接收到控制命令，將執(zhí)行命令。不僅對礦工安全狀態(tài)參數(shù)實現(xiàn)了正常的采集，也降低了能耗的水平。

終端節(jié)點除了對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)端口的參數(shù)定義，還包括管控應用層在用戶管理方面的信息處理。通過對不同技術管理人員設置安全權限的方法，從用戶登錄至礦工安全狀態(tài)數(shù)據(jù)庫比對信息都應實現(xiàn)密碼制管理，除了防止技術人員誤操作以外，也制止了管理權限的用戶對礦工實時安全狀態(tài)數(shù)據(jù)的篡改[11]。管控應用層程序設計模塊如圖7所示。

圖7 管控應用層程序設計模塊

3.3 協(xié)調器節(jié)點的軟件設計

協(xié)調器節(jié)點的主要功能是在通電后格式化一個新的網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡設置后，協(xié)調器節(jié)點通過電纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。 當發(fā)現(xiàn)礦工潛在危害時，監(jiān)測中心將自動發(fā)出警報，并幫助相關部門采取有效措施，防止礦井發(fā)生事故，并且及時對安全狀態(tài)異常的礦工展開應急救援。協(xié)調器節(jié)點可以安裝在監(jiān)控盲區(qū)，以降低系統(tǒng)擴展成本，可以安排很多節(jié)點來消除礦井內不同位置工作礦工的盲區(qū)，協(xié)調器節(jié)點可以進行一般性的通信和分配目標。 協(xié)調器節(jié)點密集，可保證數(shù)據(jù)采集的高精度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑢崿F(xiàn)煤礦作業(yè)環(huán)境的實時監(jiān)測。協(xié)調器節(jié)點由大量的微傳感器節(jié)點組成，體積小，成本低，同時具有無線通信的自組織能力。

4 系統(tǒng)測試結果分析

4.1 邊緣感知層測試

邊緣感知節(jié)點主要負責采集井下人員的各種狀態(tài)信息，并通過節(jié)點搭載的邊緣計算算法判斷人員當前的安全狀況。邊緣感知層主要測試系統(tǒng)人員安全狀況分析算法、數(shù)據(jù)采集效果。測試時，使用柔性綁帶將測溫傳感器陣列固定在受測者的前額部分，而后通過導線連接到受測者隨身攜帶的邊緣感知節(jié)點數(shù)據(jù)采集模組上(圖8(a))。心率血氧傳感器通過壓敏醫(yī)用膠帶粘貼至受測者頸后(圖8(b))。

圖8 不同類型傳感器安置位置示意

數(shù)據(jù)采集模組測量經(jīng)過血管反射的光強，經(jīng)過可視化轉換之后獲得到心率波形圖(圖9)。

圖9 心率監(jiān)測曲線示意

生理狀態(tài)數(shù)據(jù)采集測試中，將受測的6名人員分成3個對照組，分別測量心率、血氧、體溫3個數(shù)據(jù)，結果顯示心率平均誤差為3.72次/min、血氧平均誤差為1.025%、體溫平均誤差為0.35 ℃，實驗結果符合安全監(jiān)測要求。

4.2 霧決策層測試

霧決策層不僅承擔著對區(qū)域內異常事件進行決策分析，還承擔著邊緣感知節(jié)點無線通信匯聚的任務。因此，霧決策層實驗主要對LoRa無線通信協(xié)議、霧決策層網(wǎng)絡通信進行測試。

在 LoRa無線通信協(xié)議測試中，采用5個設備模擬邊緣感知節(jié)點。通過測試程序腳本使5個模擬設備頻繁入網(wǎng)、離網(wǎng)、發(fā)送數(shù)據(jù)包測試入網(wǎng)成功率以及丟包率。測試場所選擇一段 L 型走廊模擬井下巷道場所，5個測試節(jié)點排布如圖10所示。測試時模擬設備向霧決策節(jié)點發(fā)送單包長為256 B的數(shù)據(jù)包。分別測試控中速率為 0.3、1.2、2.4、4.8、9.6、19.2 k時的每十萬個數(shù)據(jù)包的丟包率。

圖10 無線通信協(xié)議測試場所節(jié)點布置

從測試結果來看，節(jié)點4在入網(wǎng)測試時出現(xiàn)了失敗的情況，分析實驗環(huán)境后得出，由于該點存在著大型開關電源等強電磁干擾源，通過降低空中速率提高LoRa 無線通信抗干擾能力可解決該問題。

5 結語

無線傳感器網(wǎng)絡對工業(yè)和人們的日常生活有很大的影響，系統(tǒng)利用Java Script程序和VC++語言，不僅實現(xiàn)了礦井溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)的精確監(jiān)測，更重要的是實現(xiàn)了對井下礦工在作業(yè)過程中的安全狀態(tài)監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦安全監(jiān)控中的應用，突破了傳統(tǒng)的方法和思想，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的實踐能力和靈活性。該系統(tǒng)還能在礦工安全狀態(tài)參數(shù)異常超過限制時自動報警，有助于提高煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控水平，減少事故發(fā)生。后期可以通過對無線通信系統(tǒng)的優(yōu)化，降低數(shù)據(jù)的丟包率，當數(shù)據(jù)突變值達到預設的安全閾值時，無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)礦山監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出警報，及時救助井下的礦井工人，從而為煤礦一線作業(yè)人員的生命安全提供了保障。