基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统的研究.pdf

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1、、l 造 訇 地 基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统的研究 Res ear ch on t he m oni t or cont r ol sy st em f or coaI m i ne s af et y based on w i r el es s sens or n et w or k 边晶 Bl AN J i n g (长春大学 计算机科学技术学院，长春 1 3 0 0 2 2)摘要：论通过分析目前我国煤矿安全监控系统在数据采集、网络组建等方面存在的问题，设计了一个 利用Z i g B e e 技术组建无线网络的的煤矿安全监控系统，实现了矿井监测信息的采集、存储、查询及统计等功能

2、，更好地保证了煤矿生产的安全性和实效性。关键词：无线传感器网络；Z i g B e e；煤矿安全；监控系统 中图分类号：T P 3 9 1 文献标识码：A 文章编号：0 0 9 0 1 3 4(2 0 1 0)o 9 0 0 3 9 0 4 Doi：1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 9-0 1 3 4 2 O 1 0 0 9 1 1 0 引言 当前我国煤矿行业信 息化水 平较低，信息技 术应用不平衡。井下连采工作面 由于设备较 多，各设 备 随机 独立 作 业，造 成互相 之 间信 息不 沟 通，更难以实现综 合数 据网络管理，从而限制了 矿井 自动化网络技 术对该地区的

3、辐射，这在一定 程度 上制 约 着煤 矿安 全 生产 工作。基 于上 述 原 因，本文作 者设计 了一个基 于无 线传感器网络 的 煤矿 安全监控 系统，可以对井下环境参数 和工况 参数 进行采集，并 把采集到的参 数实时送往井上 的计算机进行显示、控制和超限报警等处理。1 系统总体设计 煤 矿 安 全 监 控 系统 主 要 是 对 矿 井 生 产 系统 的 安全 监控，包括 对矿 井空 气 中有 害或 危 险成 分(如 甲烷、一氧化碳 等)的监测，矿 井空气物理 状 态(如风速、负压、温 度等)的监测，以及通 风设备运行状 态(如设备开停等)的监 测，并且 在紧 急情况下能够使煤矿井下 的一

4、 些电器设备 断 电，停 止运 转。本 系统分为井 上和井下两 部分。井下部分 主要是利用传感器对矿井 内的温湿度和瓦斯体积 分数信息采 集，然 后通过路 由的方式经过各个节 点传送到基站；井上部分主要负责接收从基站传 输过来的数据，通过各监测子 系统进行处理、分 析，以 曲线、图 形 和 报 表 等 形 式 显 示 数 据，并 支 持各种查询统计功能。系统整体结构如图1 所示。辱 李 求 通 ft r 煤 量 统 管 风 巾 氚 管!临 监 峨 f 系 理 测 测 测 蕊 赫 统 矿J t ：监 ；管I +。聂 一 一 兀线 传感器 节 一 旗站 一 无线f 感器 节t 一 一 1 一 一

5、无线传感器 点 一 无线 忙感器 苣 图l系统结构图 2 无线传感器网络设计 本 系统采用基于I E E E 8 0 2 1 5 4 标准的Zi g B e e 技术组 建无线网络。Z i g Be e 是一种短距离、低功 耗、低 成本、高 容 量、高可 靠性 的 无线 网络技 术，其工作频段为2 4 0 52 4 8 0 GHZ，采用直接 序列扩频 的通信技术，数 据传输速 率为2 5 0 KB S ，无线网络数传模块节点容量最多可达 6 5 0 0 0 个，每 一个数 传模 块之间可以相互通信，每个 网 络节点间的距离可以从标准的7 5 m无限扩展，非常 适 合煤 矿井下信息的采集。本网络

6、节点以 自组 织 形式构成网状拓扑结构，每个节点都可以 自主采 集数 据，数据通过单 跳方式或多跳中继方式送到 汇聚节点。2 1无线传感器网络节点的体系结构 无 线传感器网络节点是 网络 的基本单 元，负 责数据 的采集和传送，其 体系结构 由数据采集模 块(传感器、A D转换器)、数据处理模块(微处理 收稿 日期：2 0 0 9 1 2-0 5 作青简介：边晶(1 9 7 7一)，女，吉林长春人，讲师，硕士研究生，主要从事计算机软件数学与研究。第3 2 卷第9 期2 0 1 0-9 【3 9】lI 5 器、存储器)、无线通信模块(无线收发器)和 电源模块(电池、DC DC能量转换器)四部分组

7、 成，如图2 所 示。图2无线传感器网络节 点体 系结构 2 2 传感器节点的设计 在数据处理模块中，微处理器是传感器节点 的核心 部件，负责处理数 据并 协调 整个 系统。为 了使 系统具 有高 性能、低功 耗、多型 号接 口 等特 点，本次设计最终 采用AT MEL 公 司生产 的 的8 位 单片机AT me g a 1 2 8 L作为微处 理器单 元。A T me g a 1 2 8 L 先进的R I S C 结构使其具有较高的计算 性能，不但具有UAR T、S P I、H C等通用接 口，而且还具备多通道 的模数转换器，同时，它可用 的开源开发软件工具成熟且 传感器节点操作 系统 T

8、i n y O S 对其支持较好。虽 然ATme g a 1 2 8 L 微 处理 器 自带 了4 KB的 E E P ROM数 据 存 储 区域，但 是 对 于传 感 器 节 点来 说，拥有一个相对容量更多的、永久的数据存储 区域 是十分必 要的，以便远程节 点代码 的 自动更 新、节点配置信息的保存等对更 多存储 空间的需 要。为此，传感器节点的设计 中使用了额外 的一 片5 1 2 K的AT 4 5 D B 0 4 1 非易失 L F L A S H作为外部数 据存 储器。在无 线通 信 模 块 中，考 虑 到无 线 收 发 器 的 数 据传输速率、接收与发送功率、休眠的能耗、启 动稳定

9、时 问和信号调制方式等方面，最终采用 了 Ch i p c o n 公 司 的 C C2 4 2 0 射 频 芯 片。C C2 4 2 0 射 频 芯片采用S ma r t RF 技术，以0 1 8 u r n 的C MOS 工艺 制 成，只需 极 少 外 部元 器 件，性 能稳 定 且 功 耗 极 低。由于T i n y OS 已包含C C 2 4 2 0 驱动支持，因此能 够更加方便地与微处理器相连。在数据采集模块 中，温湿度传感器采用S HT I 1 芯 片，可 燃 气 传 感 器 采 用 KGS一 2 O。S HTI 1 是 s e n s i r i o n 公司推出的一款高度集成、

10、低功耗、高精 度、抗干扰能力强的数字温湿度传感器芯片。该 a 0 1 第3 2 卷第9 期2 0 1 0 9 芯片通过两个敏感元件分 别将湿度和温度转换成 电信号，该 电信号首先进入微弱信号放大器进行 放大，然后进入一个l 4 位的A D转换器，最后经 过二线串行数字接 口输出数字信号。KGS 一 2 0 型可 燃气传感器是以二氧化锡为基本敏感材料，专 门用 于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器，它 的基本特征是极高灵敏度和极快的响应速度且功耗 低，非常适宜对井下可燃气体积分数的检测。在本 系统 中，为了实现基站 与主机之 间的通 信，设计 了一个串 口通信模块。基站 汇总各个节 点的数

11、据，然 后通过 一个RS 2 3 2 串行 接 口传 送给 主 机，主机 再 对这些 数据 进行 处理。3 煤矿监控管理软件设计 井 上监 控管 理 软件 包括 八 大子 系统，分 别 为：系统管理、安全监测 系统、束管监测 系统、通风监测系统、供 电监测 系统、煤流计量 系统、主 煤流 监测 系统 I G I S 系统。软件 用B o r l a n d 公 司的 D e l p h i 7 0 编写，Mi c r o s o f t A c c e s s 2 0 0 3 作为后台的 数据库，可以对各种参数进行表格显示、曲线显 示、报警显示和报警统计，以及对 各种参数的报 表生成和打印等。

12、3 1 系统功能设计 安全监测子 系统作 为整个煤矿安全生产远程 监测系统 的核心部分，主要用来监测井下的各类 环境参数 和设备开停等主要生产参数。在一些重 要的地点安装传感器后，一些环境参数和设备开 停状态信息可 以直接在地面中心站及管理网络工 作站上反映 出来，减少了井下有关的检查和值班 人员的工作 负担，帮助领导和调度员及时掌握安 全生 产情 况，为 指挥 调度提 供数 据支 持。通 风 系统 的基 本 任 务 是：供 给 井 下充 足 的新 风：排除或冲淡矿井中有毒有害气体和粉尘；调 解矿井气候条件，创造 良好 的工作环境；提高矿 井 的抗灾 能力。供电监测子 系统用来显示和查询井下各

13、个变 电所的母线 电压频率、提供用 电设备及各种保护 设备的电流功率等参数。所 完成的功能包括：实 时显示中央变 电所、通 风机配 电系统、主斜井配 电系统机房的监测数据；根据时间、机房、测点 等条件查询历史监测数据；在该 系统内还能形成 一些用 户使 用的 报表。束管监 测系统可以完成各级领导对束管 系统 骞、l 訇 监测数 据的查询和浏览。能够用图形 的方式直观 显现 监测数据的走向。对每天监测的数据项有固 定的报 表格式，能够查询。每天最少会抽取三次 气样，每次同时抽取八种气体。能够通过对监测 数据 的分析，通过“=i 角防爆区理 论”对气体进 行危险性分析，并得出结果。GI S 系统

14、负责用_ 二 维 图形 表示矿 井安全地理 信 息 系统。主要 包括 图 形数 据 系统 与 属性 数 据 系 统，前者 主要 输入、存储、查询 图形数 据(如：点、线、面及其 拓扑 关 系等)，还 具有 图形的分 析 与输 出等功能；而属性数据 系统 主要完成图形 实体的 属性数据输入 与管理、各种 属性数据值 的 输 出等。但是两者并不 是孤立 的，图形数据 与属 性数据 问通过数据接 口和数据库服 务器 实现动 态 连接。系统主要包括数据输入、图形编辑、图形 设置、图形显示、专业操作、数据输 出、检索查 询、模型分析和专业图例库等。同时具有通用GI S 系统 的 各种 功 能，如：放 大

15、、缩小、修 改、删 除、移 动、旋 转、复 制 等。整 个 系统 最 终实 现 的功能 包 括：1)各 种 传 感 器 参 数 的 采 集：包 括 环 境 参 数(如 甲烷、一氧化碳、温度和负压等)和工矿参 数 的采 集。2)各种传感器参数的显示：采 集器采集到的 各种 参数 分别在采集器的液晶显示屏和计算机 上 显示 出来。3)超限报警：当检测到某一传感器的参数超 限时，采集器 及时控制蜂呜器发出声音报警，计 算机同时给 出声音和画面的报警。4)设 备的断电控制：当需要对某一设备进行 断电控制 时，采集器能够对这一设备的断电器进 行操作，达到对设备的控制。5)数据的远距离传输：各个矿井采集器

16、采集 到的参数需要及时传输到地面中 站进行监测。6)各种传感器参数记录和回放：计算机软件 把下位机传来 的各种参数存储在硬 盘空间，工作 人 员可 以选 择 任何 一种 参数 进行 记 录和 回放。3 2 系统模块设计 系统管理：分为用户管理、日志管理、代码 维护三部分。用户管理 负责管理用 户信 息，包括 添加、删除用户，修 改用户信息，并对用户分配 相应的角色。分配 角色 负责对 系统 已有用 户分配 相应的角色，以限制和分配不 同职能工作人 员的 操作权限。日志管理 包括 报警 日志管理 和安全 口 志 管 理，可 以通 过 时 间 查 询 出 相 应 的报 警 日志 和 安全 日志。安

17、 全 监 测、通 风 监 测、供 电 监 测、煤 流 计 量、主 煤 流监 测这 五 大 系统都 对 实时性 要 求较 高，反映 的数据类型基本 类似，所 以系统将这五 大模块设计成统一的功能和 示 风格，每个模块 都 有“实 时 显 示”、“实 时 曲 线”、“数 据 查 询”、“历 史曲线”、“报表”这五个功能点。“实时 显示”主要完成对井下与安全或设备状况 密切 相 关 的重要 参数 的实 时数 据 的显示 功能。“实 时 曲线”主 要 实 现 的 是 对 比较 重 要 的 监 测 点 或参数的实时数据进行动态 曲线绘制，让工作人 员能够非常直观地看 出数据 的变化趋势，以方便 他 们

18、对 生 产 的 状 况 进 行 分 析。“数 据 查 询”是 对 一些需要的数据进行查看的过程，包括报警数 据 查询 和历 史数 据 查询，报警 数据 查询 可 以看至 U 重 要 的 一 些 报 警数 据，对 重 大 报 警 历 史 数 据 可 以 进行打印便于上 报或者 自行分析处理。“历史曲 线”主要 实现 的是对比较重要的监测参数在一段 时间内的历史数 据绘制曲线，让工作人员能够非 常直观 的看到 历史数据 的变化趋势，以方便他们 对 生产 的状 况进 行分析。“报表”是根据企业 的 需求，对 一些关键数 据进行整理 和统 计，形成直 观 的书面单据方便保存 和打印，为企 业工作提供

19、方便而 设计 的。束 管监 测由于对 实时性不要求，因此与前 几 大 系统功 能点 有所不 同，分 为“数 据查询”、“曲线分析”、“报表查询”、“三角防爆区”四个功能点。“数据 查询”是通过 测点位置和选 择起始与结束 的 日期 以表格 的表现形 式来查询所 有气体的浓度含量。“曲线分析”是通过 日期和 测点来查询在 固定时刻 各个采样气体 的浓度百分 比 曲线 图。“报 表 查 询”是 每 天 生 成“羊 场 湾 煤 矿束管监测分析 日报”，同时可 以通过 日期进行 查询。“三角 防爆区”是可 以查询在爆炸危险区 内的所有气体抽样记录，并能显示每一条抽样记录 的分析图和分析结果，将结果在分

20、析图上定位。“GI S 系统”从 总体 功 能 上划 分 为六 个功 能 模 块，分别是：地图浏览、图层控制、图层编辑、搜索定位、实时报警、信息查询。整个 系统功能 如 图3 所 示。【下转第7 1 页】第3 2 卷第9 期2 0 1 0 一 g 4 1 1 、l 匐 似 表3支撑结构的固有频率 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 频率 1 5 6 4 7 1 6 8 2 3 l 6 8 2 4 7 2 0 9 3 7 2 1 2 6 7 4 0 5 5 7 4 3 6 6 7 8 8 0 7 8 2 2 1 9 8 2 3 1 1 MSCPa l r 2 00 5 r 21 4

21、-sop-0921 02 4l F n n g g：D e l a t t H0 咖 3 F r e q t 1 6 8 2 4 E t g e n v e c t o r s T r 粕 涮M a I t 曲 f N O L A Y E I：t E D D e t m D 日 f a u M o d e F r o q 1 6 镗 E 日 l o s T r a I s 妃b y j 6 e _F n r l q e H l 5 9硼 0 2每Nd39 H 0 N 4e d e h mo e M n M 1 5 9*0 02密Nd89,0 t 5 图7 支撑 结 构 光 轴 向 振 型 从模

22、态计算结 果可知该支撑 架结构的刚度较 大，基频较高，可以避开其在发射过程 中的敏感 频率范围。4 结论 在研究敏感器相机光 学元件 的支撑方案时，要 同时考 虑 镜坯 材料、结构 形式、支撑 结构，而 且 设 计、分 析 的 迭 代，应 分 步 实 施。运 用 CA D，C AE 技术，对主镜的支撑形式进行研讨，利 用有限元分析方法，对支撑结构的变 形情况进 行 了分析，在此基 础上 进行优化设计，选出了最 符 合设计 总体 要求的支撑 结构。这样 有利于快速修 正设计，及时反馈验证设 计思想，完成结构 的细 化设计消除盲 目性。参考文献：【1 付 亮亮，何欣，廉风慧 _，J、型反射镜 支撑

23、 方案的设计与分析【J 光学技 术，2 0 0 8，3 4：5 3 2 5 3 4 2】韦 晓孝，等 C A E 技术在某 空间相机 关键结构设计中的应 用 f J 1 机械设计，2 0 0 8，2 5(2)：5 4 5 7 【3 吴清文，等 空问相机 中主镜及其支撑结构设 计与分析 方 法 f J 1 光学技术，2 0 0 4，3 0(2)：1 5 3 1 5 6 【4 刘磊 空间光学遥感器轻型支撑结构研 究 D 中国科学 院长春 光学精密机械与物理研究所，2 0 0 6 5】牛晓 明 C AE 技术在空间相机光机结构设计 中的应用 J 1 光学精 密工程，1 9 9 9，7(0 6)：2

24、3 2 9 岛 出 岛 曼I 竞 出I 如 出 兜 岛 j ，品 出 盎 南 岛I 蠢 是 竞 毒【上接第4 1 页】图3 煤矿安全地理信息 系统功能模块 图 3 3系统数据库设计“煤矿安全 监控 系统”的数据库应包含井下 监 测 的主 要 系统：供 电、排 水、主 煤 流、通 风、束管、安检，同时还要添加能够进行GI S(地理信 息系统)开发的库表信息和系统管理 的库表信息。设计表结构时，考虑到此监控 系统 的特点，将安 检、通风、报警等模块的监测数据分别建表。4 结论 本文对无线传感器 网络煤矿 安全监控系统 的 组成与体 系结构及软硬件设计方法进行 了研 究。该系统将Z i g Be e

25、 无线 网络技术与传统的煤矿安全 监控系统相结合，弥补 了井下监控网络依靠有线 传输 的局限，使得 安全监控系统最大可能地有效 覆盖事 故隐患的地方，并为连采工作面移动设 备 并 网提 供了技 术支持。利用该技 术，可以很方便 地 实现 有线网络 和无 线网络的无缝接 口，为混合 网络的实现提供了重要参考。参考文献：1】钟新 跃，谢完成 无线传感 器网络在煤矿环境监测 中的应 用 J 煤 炭技 术，2 0 0 9，2 8(9)：1 0 2 一 l O 3 2 吴呈瑜 运强 基于Z i g B e e 技术的短距 离无线数据传输 系统 J】仪表技 术与传 感器，2 0 0 8，(5)：3 8 3 9 3 李继林 煤矿安全监控 系统 的现状 与发展趋势 J】煤炭技 术，2 0 0 8，(1 1)：4 5 4】张保华，李士 宁，滕文星，张要伟 基于无 线传 感器 网络的温 室测控系统研究设计【J 微电子学与计算机，2 0 0 8，2 5(5)：1 5 4 1 57 第3 2 卷第9 期2 0 1 0 9 7 1】