基于无线传感器网络的煤矿监控系统

【摘 要】近些年来，在煤矿开采领域中事故频发，传统的煤矿检测系统的弊端日益暴露，基于此，对无线传感器网络技术在煤矿安全监控系统中的应用进行了探讨。

【关键词】煤矿；安全监控；无线传感器

近些年来，我国的煤矿事故时常发生，一旦出现重大煤矿事故，不仅失去大量的矿工人员的生命，而且还给煤矿企业和国家带来一定的负面影响。我国现有的煤矿井下的检测系统还是传统的有线检测系统，这种检测系统存在着一系列的弊端，比如说，它只能在矿井扩宽的场域方便使用，而在那些工人作业的采煤区域还不能够完全地有效使用。无线传感器由于自身的特殊特点，能够适应各种环境、检测精确度较高和具有可靠性高等，在当前的煤矿开采中非常实用。

1 无线传感器网络系统简介

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。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。

2 基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统设计

基于无线传感器网络的煤矿安全智能监控系统是综合了数据采集技术、无线传感器网络技术和数据库技术为一体的智能型综合信息管理系统，是尖端科技与信息管理以及计算机技术相结合的一项综合性系统工程。

2.1 设计目标

完善的煤矿安全智能监控系统应综合考虑到安全、生产、通风、机电和运输各系统的需求，涵盖矿井安全生产的各个方面；在各个系统之间实现信息的资源共享，使得不同系统、不同部门以及各级矿领导都可以在系统规定的运行管理机制下，对各系统的相关资料进行收集、分析和处理；同时根据历史和现有的资料，对矿井的整体安全性进行分析和预测，实现矿井安全管理由事后管理到事前管理的跨越。据此，制定出煤矿安全实时智能监控系统的目标功能，主要有以下三个方面：

（1）数据采集自动化。把移动传感器节点采集的各项数据，定时发送到固定传感器节点，再通过固定节点组成的骨干网。传送到地面监控中心。

（2）控制自动化。监测到险情时，能够自动通过一定方式进行紧急处理。如出现瓦斯超限，系统能自动报警，并自动打开通风设备或断电，停止生产，直到瓦斯体积分数降到安全值为止。

（3）信息自动化。地面监控中心要了解矿井下的安全生产情况，就要了解各项重要的安全生产数据。这就需要矿井下采集到的数据能够通过一种简单快捷的方式，安全、可靠、及时地传送到地面监控中心，地面监控中心根据这些信息做出相应的管理决策。

2.2 设计方案

无线传感器网络安全智能监控系统主要包括总监控中心、地面监控中心、光纤骨干网、无线监控分站和有线监控分站。光纤骨干网是系统的主要信息传输载体，它将有线监控和无线监控充分地结合起来。在井下主巷道区域，地形比较开阔，方便布线，采用有线监控分站的模式；在需要监控的区域，利用传感器采集监控区域的参数目标信息，并将所采集到的参数目标信息通过有线监控分站以有线的方式接入到光纤骨干网络上。对于环境复杂和恶劣的区域，则采用无线监控分站的模式；在需要监控的区域，利用传感器节点采集其周围的参数目标信息，通过自组网的方式实时地传送到无线监控分站中的汇聚节点。它负责完成数据的收发和网络状态的监控，同时它还负责数据处理、融合和存储，处理后的数据通过光纤骨干网发送到地面监控中心。它根据收集到的参数目标信息对井下进行实时监控，随时观察井下各区域的参数目标的变化情况，对突况做出迅速的应急反应。根据精确的定位技术，向危险区域发出预警信号，地面监控中心可以通过煤矿内部专用局域网与集团公司的总控制中心互连，实现总控制中心对各个煤矿的安全生产的实时监控与调度。此外，总监控中心将与互联网连接，使得上级部门能通过互联网对该集团公司的整体安全生产情况进行实时查询、监控。其具体结构如图1所示。

图1 煤矿无线传感器网络安全智能监控系统结构

3 煤矿无线传感器网络的安全智能监控机制

煤矿无线传感器网络安全智能监控系统是针对煤矿的一些需要监控的特定区域和生产参数而提出来的，主要有两种模式的监控：紧急时间的监控和长时间周期性的监控。当紧急事件发生时，可以通过监控系统及时得到井下的信息。超限参数的信息必须在很短的时间内得到，以便及时合理地采取措施来避免恶性事故的发生。对于长时间周期性的监控而言，无线传感器节点按照预定的周期采集其周围的参数信息，然后送往监控中心，以便记录和分析井下各项参数的变化情况。应尽可能降低能量损耗，以延长整个系统的生命，合理利用无线传感器节点的三种工作状态：睡眠、更新和激活。在睡眠状态中，无线收发器处于休眠状态，控制器和参数含量检测仪周期性地接通电源，以便检测可能发生的突发事件。在状态更新中，控制器和无线收发器被打开，参数含量检测仪周期性接通电源模式。在激活模式中，无线电收发器、参数含量检测仪和控制器都处于打开状态，此时传感器一方面输出采样数据，另一方面利用无线收发器接收和传输数据。

无线传感器节点一般都处于休眠状态，周期性打开参数含量检测仪，对需要监测的参数含量进行数据采集。根据井下实际情况，对各种参数预先设置一个预警值。如果采集到的数据没有超过该预警值，无线传感器节点就认为没有发生紧急状况，重新进入休眠的状态。否则，如果采集到的数据超过该预警值，无线传感器节点就认为发生了紧急状况，自动进入激活状态。无线传感器节点一方面增加参数含量检测仪对所需输出的采样频率，并向存储器记录数据；另一方面还需要记录紧急事件发生的本地时钟时间，然后和簇首节点进行同步，按照簇首节点的时钟同步本地时钟，修改已记录事件发生的时间。通过这种方式，实现了同步。簇节点只在恰当的时隙与簇首节点进行通信，这样节省了无线传感器节点的能量消耗。簇首节点接收到来自簇节点的数据后，经过数据融合再转发给汇聚节点。一旦紧急事件结束，数据传输完后，无线传感器节点又重新回到休眠状态。

对于长时间周期性的监控，监控中心采用时间调度表来记录周围参数含量的信息。根据实际情况，调度表被制定后传送给网络中的簇首节点。在长时间监控过程中，无线传感器节点通常处于休眠状态，每次在预先设定的时间间隔的固定时刻被唤醒，然后进入更新状态。被唤醒的节点需要和簇首节点进行同步，然后检查所有调度更新。假如节点发现在下一个时间间隔内预先安排了监控状态，它就通过设置唤醒定时器来保证在调度时间内被唤醒，并进入唤醒状态。当节点和簇首节点的同步过程完成后，它们就在预先设定的时间间隔内，采用唤醒的状态传送参数含量的数据。在完成数据传输后，节点重新回到休眠状态。

参考文献：

[1]赵洪磊，王英龙，张先毅.基于无线传感器网络的矿井监控系统[J].山东轻工业学院学报，2008（4）.

[2]万国峰，陈胜维，孙传庆.基于无线传感器网络的煤矿监控系统设计[J].自动化与仪器仪表，2011（