无线传感器技术在煤矿安全监测系统中的设计与应用付凯

无线传感器技术在煤矿安全监测系统中的设计与应用付凯

付凯

（唐山冀东矿业安全检测检验有限公司河北唐山063000）

摘要：在现代社会快速发展的大形势下，信息技术以及网络技术均得以较快发展，这种大形势下无线传感器各个方面的应用范围也逐渐扩展，并且发挥着十分明显的作用，而在煤矿安全监测系统中的应用就是比较重要的一个方面。无线传感器网络不仅网络规模较大，可以容纳大量数据，网络传输也很可靠，基本不会出现数据差错。将无线传感器网络应用到煤矿安全生产中，不仅可以获得良好的经济效益，还可以获得社会效益。因此，有必要研究无线传感器网络在煤矿安全监测中的应用。基于此，本文主要对无线传感器技术在煤矿安全监测系统中的设计与应用进行分析探讨。

关键词：无线传感器技术；煤矿安全；监测系统；设计与应用

1、前言

在煤矿生产及运营过程中，十分重要的一个方面就是保证其安全性，而为能够实现这一目标，应当对其进行安全监测，因而需要对煤矿安全监测系统合理应用。就当前煤矿安全检测系统实际应用就是与无线传感器网络相结合，从而保证安全检测系统得到更加理想的监测效果，提升系统运行效率，更好实行监测。

2、无线传感器网络（WSN）

该系统由固定传感器节点及移动传感器节点组成的节点子系统2部分和地面监控中心来组成。这个智能网络系统可以自主采集、融合和传输数据，融合了嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术、传感技术等。最近几年来，作为无线通信的新秀，ZigBee技术出现了，依靠其成本和功耗低、组网容易、协议简单等特征，特别适合地下矿山的开采过程。引入ZigBee技术能够定性定量评估煤矿行业在安全方面的状况，弥补人力资源在管理矿山面的不足。结合煤矿下的特殊环境和ZigBee自组网络的能力和技术的灵活性、低成本、可扩展性，组建适宜于矿山领域的无线传感器网络WSN，监控煤矿领域的安全生产，极大地提高矿山领域的信息化水平，最大限度地确保井下作业人员安全，在实现信息网络的共享方面进行技术支持，与此同时，将把矿山生产领域的测控系统成本降至最低。

3、无线传感器网络体系结构

随着电子器件技术以及无线通信技术领域的进展，传感器凭借其成本、低功耗、体积小、多功能（感知、处理、通信功能）发展很快，大量传感器节点分布在特定环境中，组成了无线传感器网络，并利用无线通信组成了多跳的自组织网络系统，在覆盖区域网络中协作采集、处理、感知被感知对象的信息，进而传输给观察者。

4、基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计

4.1系统节点子系统

在系统实际设计过程中，依据节点子系统需完成功能以及无线传感器网络自身限制与特点，可将节点子系统分为几个不同部分，分别为节点感知模块、节点定位模块以及路由选择模块与无线铜线模块，还包括信息处理及管理单元、电源。其中，对于节点感知模块而言，其主要作用及功能就是感知及采集矿井下安全问题各种有关信息，其所包括内容主要就是矿井空气中相关有害成分及危险成分、矿井中空气物理状态及通风等多种不同设备运行状况，对这些方面实行监测，并且在紧急情况下通过控制单元使煤矿井下相关电气设备实现断电。在本文实际设计过程中，由于需要监测相关参数比较多，并且包括各个方面形式类型，需要应用多种类型不同传感器。另外，由于无线传感器网络节点存在的特殊限制，其要求节点尺寸不能够过大，耗能也不可过多，所以在对传感器进行选择方面主要就是选择能够对多种参数进行监测的相关矿用传感器。

对于路由选择模块而言，其所处位置为各个不同节点，其任务主要就是在利用路由选择算法的基础上使路由选择能够得以实现，在此基础上可将稳定线路提供给消息传递。对于节点定位模块而言，其位置为各个节点，而其其主要作用及任务主要为对跟踪信息进行实时定位跟踪，并且进行渐进性收集，可将较可靠的原始数据向无线传感器网络定位跟踪系统提供，各个节点能够定期发送定位发线包，相关移动节点在接收之后可组装定位确定包，并且向选择中继站点转发，在最终接收站位置，存在服务器子系统，可存入本地数据库中。

在无线传感器网络各个节点间通信过程中，无线通信模块属于主要功能单元，其属于自组织网络结构能够得以较好实现的基础。在本文设计过程中，选择芯片CC2420设计通信模块，其属于性能较高而功耗较低的一种射频芯片，其内部集成基带处理功能以及CSMA功能，利用SPI接口能够实现对其控制，从而可使数据收发得以较好实现，因而在无线传感器网络各个方面应用中均比较适用。

在节点子系统设计方面，信息处理及管理单元属于其核心内容，其能够对感知模块采集相关数据进行处理，对无线通信模块进行控制，使节点定位模块功能得以加好实现。在本文设计过程中，该单元选择S3C44B0微控制器，其具备存储管理功能，可提供Thumb16bit压缩指令集以及JTAG调试方式，主要包括5种电源管理方式。所以，其能够使节点子系统中信息处理能力相关要求得以较好满足，并且通过对该控制其进行合理利用，还能够使各个节点状态向地面监控单元进行周期性发送得以完成，进而使网络及节点简单管理功能得以较好实现。

4.2地面监控中心

对于系统中地面监控中心而言，其所负责内容主要就是对由基点中所接收相关数据实行处理、分析以及统计，且能够实现显示及存储，且可由用户需求监控无线传感器网络。所以，在实际设计过程中这一部分组成主要包括网关服务器、监控平台以及语音处理平台与网络服务器，还包括数据服务器等相关内容。其中，网关服务器的主要作用就是将固定传感器节点和上位机系统之间协议转换得以完成，并且对于矿井下所传输语音数据以及实时采集相关感知数据实行分类，可向煤矿安全监控平台实传递相关感知数据，将语音数据向语音处理平台进行转发。对于煤矿安全监控平台而言，其具备实时监测窗口，该窗口能够使检测感知节点中的瓦斯浓度、风速及振动强度等相关安全指标得以实时显示。语音处理平台属于语音监管中心，可对井下语言呼叫进行接收，对井下工作语音节点进行呼叫，且能够实行任务调度及工作指令发布得以实现。

网络服务器的作用主要就是通过防火墙与其他相关外部网络实行连接，从而使上级部门能够对煤矿工作状态实行监管，其服务器能够接收通信中心相关网络拓扑细腻及网管数据，通过拓扑控制协议、网络传输控制协议及网络管理协议等内容，可对网络拓扑及传输控制实行管理。对于数据库而言，其主要目的就是对历史感知数据及语音通信数据进行记录，系统后台选择服务器当作数据库服务器，其所包括内容主要就是语音数据库、感知信息数据库及拓扑状态数据库等相关内容，从而使各种数据得以较好存储。

5、结语

在信息时代下，要联系实际情况，构建以无线传感器网络为基础的矿井安全系统，本文联系实际提出了将专家系统应用起来，用于监测瓦斯实际情况，并认为要增强监测能力，还需要将ZigBee应用其中，以便减少不必要损失。

参考文献：

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[2]孙英娟，郭联志．无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用[J]．数字技术与应用，2013，0l：76—77．

[3]黄布毅，常亚军，张海霞，等.基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计[J].通信技术，2008（9）：170-172.