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        基于WSN 的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

        2022-08-10 08:46:14
        山東煤炭科技 2022年7期
        關(guān)鍵詞:通信協(xié)議傳輸技術(shù)無線

        李 彬

        (霍州煤電集團(tuán)呂臨能化公司龐龐塔煤礦,山西 臨縣 033200)

        目前國(guó)內(nèi)煤炭的儲(chǔ)量高達(dá)1800 多億噸,年產(chǎn)量可達(dá)世界總量的三分之一。豐富的儲(chǔ)量導(dǎo)致對(duì)其的能源依賴,煤炭是國(guó)內(nèi)能源的主要部分,支持著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展,是我國(guó)的支柱性的能源產(chǎn)業(yè)。但是煤炭開采除了少數(shù)地區(qū)為露天開采,大部分區(qū)域都為地下開采,因此受到地質(zhì)條件的影響,安全事故時(shí)有發(fā)生?,F(xiàn)在機(jī)械化程度并沒有達(dá)到預(yù)期,很多時(shí)候還是需要大量的工人參與開采,因此對(duì)一線的工作人員生命安全帶來很多威脅。由于井下開采網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜,通信設(shè)備受到各種因素的干擾,造成信息的延時(shí),無法實(shí)現(xiàn)井上井下的統(tǒng)一調(diào)度,對(duì)井下安全也有一定的威脅。

        目前,國(guó)內(nèi)大部分煤礦企業(yè)中安全監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)傳輸采用的是有線的形式,為了實(shí)現(xiàn)功能就需要在井下投入大量的傳輸線。隨著巷道的延伸,傳輸線不斷地在增加,過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷裂等情況,造成信號(hào)無法傳輸,從而使得相關(guān)的安全儀器報(bào)警監(jiān)控失效,失去其存在的意義,威脅井下的人員安全。針對(duì)傳統(tǒng)方式投入大、傳輸慢、數(shù)據(jù)缺失等問題,本文在現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)上結(jié)合ZigBee 技術(shù),通過搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),以傳感器的形式,實(shí)現(xiàn)井下各類信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸,解決傳輸速率慢的問題,同時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析處理,指導(dǎo)相關(guān)人員處理緊急事件,為安全生產(chǎn)提供保障。

        1 WSN 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

        為解決傳統(tǒng)安全監(jiān)控的問題,需要將信號(hào)采集傳輸實(shí)現(xiàn)無線的形式,WSN 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)[1-5],解決了以往系統(tǒng)傳輸慢、數(shù)據(jù)只收集不分析、成本高、維修難度大等問題。在創(chuàng)建WSN 時(shí),首先必須先搭建拉通適合的通信協(xié)議。通信協(xié)議是實(shí)現(xiàn)無線連接的基礎(chǔ),在信號(hào)傳輸過程中充當(dāng)?shù)氖切盘?hào)線的作用。目前被廣為使用的通信協(xié)議有如下幾種形式:紅外傳輸、藍(lán)牙傳輸、局域網(wǎng)傳輸、專用無線傳輸平臺(tái)、ZigBee 傳輸技術(shù)等。每一種通信協(xié)議都有其最佳的使用場(chǎng)景,本文不做一一贅述。根據(jù)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境以及惡劣的工作環(huán)境,為保證實(shí)施有效的信號(hào)傳輸,本系統(tǒng)使用的是ZigBee 傳輸技術(shù)。ZigBee 傳輸技術(shù)是一種專門服務(wù)于工業(yè)領(lǐng)域的通信技術(shù),該技術(shù)充分響應(yīng)節(jié)能降耗的口號(hào),能夠通過較低的投入、較低的能耗、簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及無線傳輸控制,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)嵌入性的應(yīng)用,將定位芯片等植入其中,實(shí)現(xiàn)定位等功能,便于井下工作人員攜帶。

        2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

        基于WSN 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)極其復(fù)雜的工程,該網(wǎng)絡(luò)需要與系統(tǒng)相連接,不管是從應(yīng)用環(huán)境還是具體實(shí)施,關(guān)系到系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先明確系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,其主要是應(yīng)用在井下地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜、巷道條件較為艱苦、被巖石以及煤炭充斥,同時(shí)還有大量的機(jī)械設(shè)備、空間狹小的環(huán)境中,需要與其余各種設(shè)備包括通風(fēng)系統(tǒng)、采煤系統(tǒng)等一起工作,對(duì)信息采集以及設(shè)備的可靠性提出了不一樣的考驗(yàn)。對(duì)于ZigBee 傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是,通過分布在井下各個(gè)位置的傳感器,將井下各重點(diǎn)位置的信息進(jìn)行收集,再通過無線傳輸將信息輸送到井上監(jiān)控室,實(shí)現(xiàn)井上井下的實(shí)時(shí)互動(dòng)。針對(duì)系統(tǒng)的功能要求,結(jié)合井下的實(shí)際情況,同時(shí)經(jīng)過反復(fù)的推演,最終確立無線傳輸技術(shù)下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。監(jiān)控方案流程圖如圖1。

        圖1 基于WSN 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

        系統(tǒng)的工作原理以及工作流程如下:

        由于本次設(shè)計(jì)所研究的礦井其深度在地面以下450 m 以上,巷道長(zhǎng)度達(dá)到了5 km 以上,工作面深度較深,受地質(zhì)組成影響,工作面環(huán)境很惡劣,目前采用機(jī)械化的開采模式,在此工作面上為保證監(jiān)控效果,預(yù)計(jì)設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)380 個(gè)即可。通過在巷道各個(gè)位置設(shè)置的節(jié)點(diǎn)的作用,在正常工作情況實(shí)現(xiàn)信號(hào)感應(yīng)、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)匯總即可;在突發(fā)情況下,感應(yīng)數(shù)據(jù)異常時(shí),能夠自發(fā)地調(diào)整傳感器的發(fā)射以及接收的靈敏度,協(xié)助信息的采集以及異常的處理。通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的信息,最終都會(huì)統(tǒng)一匯總上傳至井上監(jiān)控室的工作總機(jī)上,將井下傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理以及數(shù)據(jù)波動(dòng)的實(shí)時(shí)顯示,當(dāng)數(shù)據(jù)超出安全界限時(shí),及時(shí)報(bào)警同步采取相關(guān)措施對(duì)異常進(jìn)行停機(jī)等的處理,實(shí)現(xiàn)井上井下的互動(dòng)。前文提到,井下充斥著各種設(shè)備各種系統(tǒng),其相互之間會(huì)存在信號(hào)的干擾等現(xiàn)象,因此,為了保證安全監(jiān)控系統(tǒng)的有效工作,需要在安裝數(shù)據(jù)信號(hào)采集的節(jié)點(diǎn)周圍安裝一個(gè)抗干擾的傳感器節(jié)點(diǎn),其通信方式一般采用直序擴(kuò)頻,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸,屏蔽井下復(fù)雜環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾。在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間,并不是單軍作戰(zhàn),其每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都帶有接收信號(hào)指示燈,同時(shí)相鄰的節(jié)點(diǎn)之間可以自組網(wǎng)形成一個(gè)小范圍的無線通信網(wǎng)絡(luò),通過指示燈的提醒,可以實(shí)現(xiàn)小范圍節(jié)點(diǎn)通信,防止由于某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效而造成的信號(hào)遺漏等的問題,為信號(hào)的采集提供保障。圖示中規(guī)劃的移動(dòng)節(jié)點(diǎn),就是充分利用其定位等的功能,將傳感器節(jié)點(diǎn)由井下工作人員攜帶,節(jié)點(diǎn)將隨著人員的移動(dòng)而移動(dòng),此類節(jié)點(diǎn)的主要功能是實(shí)時(shí)傳輸位置以及所在位置安全信息,保證了井下員工的安全工作。

        3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要硬件選型設(shè)計(jì)

        基于WSN 的安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,其硬件的選型設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的。根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能,就需要集成無線傳感器節(jié)點(diǎn),其由信號(hào)采集、接收模組、數(shù)據(jù)分析處理模塊、通信模塊、能量模組等部分組成,然后通過自組網(wǎng)的形式將分布的節(jié)點(diǎn)組成小組的模式,加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性、傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性、作用范圍廣等的特性。在系統(tǒng)中需要大量的傳感器節(jié)點(diǎn),而其一般無法二次使用,因此大多數(shù)的壽命只有一次,因此在保證性能的前提下,成本成為制約的關(guān)鍵。所以本系統(tǒng)選擇芯片為16 位的MSP430 單片機(jī)MSP430F149,以及2.4 GHz 頻率下工作的無線通信模塊來組成節(jié)點(diǎn)。除了節(jié)點(diǎn)的選擇外,還有其他硬件的選擇,具體的設(shè)備型號(hào)信息見表1。

        表1 WSN 的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)明細(xì)

        4 結(jié)論

        目前國(guó)內(nèi)的煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)為有線網(wǎng)絡(luò),隨著礦井開采深度增加,信號(hào)線的不斷延伸,過程難以監(jiān)控導(dǎo)致指令不能有效傳輸,而且有線的方式存在投入大、傳輸慢、維護(hù)難、缺乏分析報(bào)警等問題。本文在現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)上結(jié)合ZigBee技術(shù),搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),通過對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案的制定,對(duì)穩(wěn)定安全信號(hào)處理傳輸線路的規(guī)劃,結(jié)合硬件的選型設(shè)計(jì),初步完成了系統(tǒng)的搭建,后續(xù)持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行,旨在實(shí)現(xiàn)井下各類信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸,同時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析處理,指導(dǎo)相關(guān)人員處理緊急事件,從根本上降低煤礦的安全隱患。

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