基于传感器网络的煤矿安全监控系统设计

２００６年第６期　煤矿机　电　・５・　基于传感器网络的煤矿安全监控系统设计　李玉国　（晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城ｏ４８ｏｏ６）　摘　要：　本文采用传感器网络，通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送　到用户终端，从而实时监测各种环境信息，准确反映井下、地面的设备运行状态，提高煤矿安全监控　系统的可靠性和安全性。　关键词：　传感器网络；煤矿安全监控；中间件　中图分类号：ＴＰ２１２．９　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１－０８７４（２００６）０６—０００５—０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｙｕ—ｇｕｏ　（Ｊｉｎｃｈｅｎｇ　Ａｎｔｈｒａｃｉｔｅ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎｃｈｅｎｇ　０４８００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｒａｎｄｏｍ　ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｅｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉ．ｈｏｐ　ｒｅｌａｙ　ｍｏｄｅ　ｉｎ　ｏｒ（１ｅｒ　ｔｏ　ｓｅｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｅｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｕｓｅｒ　ｔｅｒｍｉｎａｌｓ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｙｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｂｏｔｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｕｓ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｓｆｅｔａｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ　１　引言　我国现有监控系统的传感器及执行机构一般采　用星形结构与分站连接，需敷设大量电缆，既增大了　系统投资，又不便于系统维护。一旦传感器电缆发　生故障，影响对井下测点的实时监测监控，严重危害　到矿井安全生产。传感器技术、电子技术、计算机技　术和信息传输技术的发展，对改善现有监控系统的　功能，提高监控系统的安全可靠性提供了技术保障。　图１一个典型的传感器网络体系结构　传感器网络是由大量部署在观测环境中的微型、廉　价、低功耗的传感器节点通过无线通信方式形成的　多跳网络系统，是一种特殊的Ａｄ—ｈｏｃ网络。有线或　无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通　由于其不需要固定网络支持，且具有快速展开、　覆盖区域大、覆盖精度高、抗毁性强等特点，特别适　合部署于恶劣环境和人不易到达的场所。　信方式，用于建立通信路径。通过随机自组织无线　２体系结构　通信网络，传感器节点以多跳中继方式将所感知信　（１）传感器网络节点　息传送到用户终端，从而实时监测各种环境信息，协　作完成复杂的监测任务。一组功能有限的传感器通　过网络协作地完成大的采集任务是传感器网络的重　要特点。图１描述了传感器网络体系的一般结构。　传感器网络中，传感器节点具有数据采集、处　理、无线通信和自动组网的能力，它们既是信息包的　发起者，也是信息包的转发者。节点任意散落在被　维普资讯 http://www.cqvip.com

・６－　煤矿机　电　２００６年第６期　监测区域内，互相作为其邻居的路由器。通过多跳　设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自行　为，节点开机后就可以快速、自动地组成独立的网　络。　５）多跳路由　中继方式实现节点间的通信，从而将监测数据传到　Ｓｉｎｋ节点，最终借助长距离或临时建立的Ｓｉｎｋ链路　将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处　理。Ｓｉｎｋ节点使用多种方式与外部网络通信，如Ｉｎ．　ｔｅｒｎｅｔ、卫星或移动通信网络等，大规模的应用可能　无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节　点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既　可以是信息的发起者，也是信息的转发者。　６）动态拓扑　使用多个Ｓｉｎｋ节点，采用聚类分层的管理模式。　节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的　限制，通信距离较短，只能与自己通信范围内的邻居　交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用　多跳路由。为了保证网络内大多数节点都可以与网　关建立无线链路，节点的分布要相当的密集。　在不同的应用中，传感器节点设计也各不相同，　但是它们的基本结构是一样的。节点的典型硬件结　构如图２所示，主要包括电池及电源管理电路、传感　器、信号调理电路、ＡＤ转换器件、存储器、微处理器　和射频模块等。节点采用电池供电，一旦电源耗尽，　节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电　源，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没　有通信任务的时候，切断射频部分电源。在软件设　计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时　可以牺牲其他网络性能指标，获得更高的电源效率。　图２无线传感器网络节点结构图　（２）传感器网络特点　目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局　域网、蓝牙网络、Ａｄ　ｈｏｃ网络等，与这些网络相比，　无线传感器网络具有以下特点：　１）硬件资源有限　由于受价格、体积和功耗的限制，节点计算能力、　程序空间和内存空间比普通计算机功能要弱很多。　２）电源容量有限　其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能　给电池充电或更换电池。因此在传感器网络设计过　程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。　３）无中心　节点可以随时加人或离开网络，任何节点的故　障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。　４）自组织　网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络　一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故　障，退出网络运行，也可能由于工作的需要而被添加　到网络中，故网络应该具有动态拓扑组织功能。　７）节点分布密集　为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上　万传感器节点空投到该区域，利用节点之间高度连　接性来保证系统的容错性和抗毁性。　（３）传感器网络的中间件　无论是何种传感网络体系，都涉及到了“软连　接”的问题。传感器节点与Ｓｉｎｋ节点之间，Ｓｉｎｋ节　点与客户端之间，或者是节点与客户端之间都必须　使用中间件来建立一个协商的机制，以管理海量的　传感节点，对路由节点进行选择，实时改变现有网络　状态，实现传感器的响应。　传感器网络中间件层研究采用具有通用性能的　标准中间层软件结构，负责传感器网络系统的资源　管理、动态环境分析、功能扩展、系统升级等。　中间件中的数据处理和管理层以传感器数据管　理与处理软件为核心，包括以数据为中心的实时分　布式数据流管理、查询及相关信息处理技术；各种数　据管理和分析处理软件系统，新型统计算法、排除误　差信息的方法、对大型分布式传感器阵列的协同处　理、图象识别方法等。　３　系统设计　基于传感器网络的煤矿安全监控系统如图３所　示。　（１）数据应用系统　整个框架一共分三层，第一层为数据应用系统，　位于煤矿监控中心。利用下层局域网传来的各种监　测数据，可以设计并完成各种不同的功能，并可通过　Ｉｎｔｅｍｅｔ向更高级管理机构提供监测信息。第二层　位于各监控分站，是ｓｉｎｋ节点与数据采集中问件，　负责数据和服务的代理和提供，是传感系统所采集　的数据能被上层的应用系统利用的桥梁。可以在中　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第６期　，．　、　。＿＿－—・———　煤矿机　电　・７・　鉴警１＿『瞬丽匿　ｌ查询打印Ｉ　４结语　。　月　传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技　监分控站　数　Ｓ据ｉｎｋ采汇集聚中节间点件　酉　　Ｊ　术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术　等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时　监测各种环境或监测对象的信息，并通过随机自组　织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送　到用户终端。基于传感器网络的这一解决方案，会　进一步完善煤矿监控系统的功能，为矿井生产调度　及时提供各种有用信息，从而有效地指挥安全生产，　以保障煤矿的高产、高效。　参考文献：　图３系统框架示意图　［１］刘晓明，陈佳，安敏．煤矿瓦斯监控系统设计［Ｊ］．煤矿机电，　２００４（３）　间件中设计各种查找服务，以方便上层软件的数据　采集和查询。第三层是煤矿安全监控系统中所涉及　［２］　叶驰。孙利民。廖勇．传感器网络的能量管理［Ｊ］．计算机工程　与应用。２００４（８）　［３］Ｆｒｏｄ　Ｉｇ｝Ｉｍ，Ｊｏｈａｎ　Ｓｓｏｎ　Ｐ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　ｈｏｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ：ｔｈｅ　ａｒｔ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａ　ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］，Ｅｒｉｃｓｓｏｎ　Ｒｅｖｉｅｗ　２０００（４）　到的所有的传感系统，它们是整个平台的神经末端，　每时每刻都在感知着外界环境的变化。　在煤矿监测区域中，各个传感节点可以随时加　入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络　的运行，具有很强的抗毁性和扩展性。网络具有自　组织性，传感器节点可以快速、自动地组成一个独立　的无线网络，降低了因为通讯电缆故障而造成的系　［４］Ａｋｙｉｌｄｉｚ　Ｉ　Ｆ。Ｓｕ　Ｗ，Ｓａｎｋａｒａｓｕｂｒａｍａｎｉａｍ　Ｙ，Ｃａｙｉｃｒｉ　Ｅ　Ｃａｙｉｒｃｉ．　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ａ　Ｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｃａｙｉｒｃｉ　Ｅ　Ｃａｙｉｃｉ．Ｗｉｒｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　２００２，Ｍａｒｃｈ．　［５］　卞长弘，宁培松，王晓滨，陈宪海．矿井监测监控系统综述　［Ｊ］，煤炭企业管理，２００５（７）　作者简介：李玉国（１９７１一），男，工程师。１９９１年毕业于中国矿业　大学，现在晋城无烟煤矿业集团公司机电处从事机电技术管理工作。　（收稿日期：２００６一Ｏ６—２６；责任编辑：姚克）　统故障，提高了系统的可靠性。　（上接第４页）　再经过整流、滤波、ＬＭ３５８放大，送人Ａ／Ｄ转换器，　转化成数字量后送人单片机，液晶显示器显示系统　系统对故障参数进行分析，判断故障类型，利用　存储器对故障类型进行存储记录，便于查询。　４结语　的工作电压。如果系统电压高于ｌ１５％Ｕ　，单片机　经过延时，发出信号，保护继电器动作，断路器断开，　主回路分闸。同时，液晶显示器显示“过压”，只有　系统电压恢复到要求值时，按下“取消”按钮，方可　恢复正常状态。　（４）欠压保护　智能化微机保护器以高速的运算能力和完备的　存储记忆能力，以及采用大规模集成电路和成熟的　数据采集、Ａ／Ｄ模数转换、数字滤波和抗干扰措施　等技术，使其在具体应用中体现了可靠性高，保护性　能得到改善，通讯功能便于信息管理与交换，人机操　作界面直观，操作控制简便等技术优势。　参考文献：　动作过程同上（系统电压低于７５％Ｕｏ）。液晶　显示器显示“欠压”。　（５）接地保护　利用线路接地后出现零序电流的特点，实现线　路的接地保护。　（６）通讯　［１］公茂法，马宝甫，孙晨。等．单片机人机接口实例集［Ｍ］．北京：　北京航空航天大学出版社，１９９８　［２］李维缇。郭强．液晶显示器件应用技术［Ｍ］．北京：电子工业　出版社．２０００　主机和开关之问均有ＲＳ４８５接口，实现电器的　远距离监控、远动操作和动作参数的遥调。　（７）故障查询和记录　作者简介：孔德全（１９７５一），助理工程师。毕业干淮南市工业学院，　现在淮南市万泰电子有限责任公司技术部从事新产品开发工作。　（收稿日期：２００６—０５—０９：责任编辑：姚克）