矿井临时施工点安全监测传感器网络设计

李 资，蒋慧强

(1.新疆工业高等专科学校，乌鲁木齐830091;2.新疆乌鲁木齐市消防局，乌鲁木齐830000)

1 引言

目前的煤矿安全监测系统不能从根本上满足井下特殊作业环境，例如，采掘面大型机械设备的移动、主要设备的现场检修等临时施工点，不能满足和适应传感器节点的快速布防和对安全监控系统的动态监测与实时传输的要求，不能形成大规模的监控和监测信息的实时传输，导致井下临时施工点成为煤矿井下安全隐患r主要场所之一。

针对矿井临时施工点的网络监控问题，设计了安全监控传感器网络，对网络结构、传感器节点的硬件及网络通信协议进行了详细论述。

2 网络结构

井下临时施工点传感器网络采用典型的星型拓扑结构，网络架构如图1所示。

图1 矿井临时施工点无线传感器网络系统结构图

图1中信宿节点放置于井下临时施工点的安全监测区域中心，无线传感器节点则均匀放置在监测区域，信宿节点中配置液晶显示模块、超限声光报警装置、无线通信模块、键盘和存储模块，无线传感器节点配置有无线通信模块和瓦斯检测设备(通常为甲烷浓度传感器)，信宿节点由收发天线经无线射频通信链路与多个无线传感器节点相连，从而构建煤矿井下临时施工点的安全检测无线网络系统。当在临时施工点放置好信宿节点和无线传感器节点之后，打开所有节点的电源开关，信宿节点和无线传感器节点迅速自组织无检测死角的无线监测网络。

这种无线网络架构系统的组成结构简单，可以快速布设和组网，也可以在多个施工点重复使用，关键是具有功能复用性的信宿节点，它可以使得构建的井下网络具有很强的实用性。

通常情况下信宿节点用作监视器，内置的显示模块实时显示各个无线传感器节点的工作情况。如果发现某个无线传感器节点失效，信宿节点的显示模块就显示失效节点的标识号，然后工作人员可以及时更换或检修失效节点，保证井下临时施工点监测区域能够不存在检测死角。当矿井中有异常情况发生时，信宿节点又可作为报警器使用。内置的报警装置可及时报警异常情况，一旦信宿节点收到无线传感器节点采集的瓦斯浓度超出设定的安全界限时，报警装置能立即报警，工作人员可及时撤离或采取有效的安全自救措施。报警装置的报警上限可以自行设定，可以在不同的临时施工点视具体情况设定不同的安全界限。

另外，信宿节点内置的存储模块存储了从无线传感器节点收集到的数据，当临时施工点结束工作后，通过USB接口把数据输入计算机，从而可以查看临时施工点周围环境的瓦斯浓度，分析瓦斯的动态变化特征，找出潜在的安全隐患。

3 网络通信协议的设计

井下临时设施供电自组织通信协议主要实现物理层、数据链路层和网络层，应用层的实现主要考虑具体的井下临时施工环境［1］。

(1)物理层

主要负责感知数据的信息采集，即临时施工点周围环境参数的检测，并对收集的数据进行抽样，包括信号的调制解调、发送和接收等任务。通常该网络采用无线电波载波媒体，工作频段为430Hz/868Hz/915Hz。

(2)数据链路层

负责媒体访问控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要由媒体访问控制MAC组成。系统采用基于预先规定的媒体访问控制协议，首先由信宿节点向各个无线传感器节点发送一个开始指令，无线传感器节点侦听到指令信息，转为接收状态。各个无线传感器节点收到来自信宿节点的开始指令后，由接收状态转为发送状态，并按ID×2ms(ID为各个节点的标识号)时间间隔逐个向信宿节点发送数据，这样能避免信道中发生竞争冲突，造成数据包的丢失。

(3)网络层

主要任务是发现和维护路由，该网络采用按需路由协议，即采用“路由请求/路由应答”机制来建立路由。当节点需要去往某未知目的的节点路由时，广播一个“路由请求”分组至源节点的所有邻居。“路由请求”分组包含有“广播标识”，保证每次广播被唯一标识，也能够避免被其他节点多次转发。如果在邻居节点中未发现目的节点，邻居节点就转发该“路由请求”分组，直到“路由请求”分组到达目的节点或是到达知道去往目的节点路由的中间节点，当“路由请求”分组到达目的节点或是知道去往目的节点路由的中间节点时，沿反向路由发送“路由应答”分组。该路由协议不仅可以实现邻居节点间的单跳路由，也可以实现经多个中间节点转发的多条路由。

4 传感器节点的硬件设计

无线传感器节点的电路结构如图2所示［3］。

图2 无线传感器探测节点电路结构

从该电路结构可以看出，如果打开电池和电源开关，甲烷浓度传感器和温度传感器则分别从井下临时施工点周围环境中采集瓦斯浓度和温度。从这两种传感器输出的数据输入到信号调理电路，信号调理电路进行预处理，预处理后的数据输入给单片机，由单片机对数据作模/数转换、打包等进一步处理后，将数据输入无线通信模块，无线通信模块将数据发送出去，单片机同时由控制的状态指示灯闪烁一次，无线通信模块亦可将从信宿节点接收到的数据输入给单片机。

图3所示为信宿节点的电路结构方框图。

图3 无线传感器网络信宿节点电路结构

当打开电源开关后，状态指示灯亮，按信宿节点上的0号按键，从单片机输出一个开始指令进入输入无线通信模块，无线通信模块将该指令发送出去。等待一段时间后，无线通信模块将接收到的由无线传感器节点发送过来的数据输入单片机，这时状态指示灯灭，单片机对数据进行处理后送到显示模块显示，同时送到储存器储存。当有异常情况发生时，单片机控制报警电路报警。当临时施工点作业结束后，将USB接口与计算机相连，这时存储器将记录的数据输入单片机。单片机将数据经USB接口输入计算机，同时可将计算机中的数据经USB接口输入单片机中。

无线传感器节点与信宿节点的通信过程如图4所示。

图4 探测节点与信宿节点之间的数据通信流程

如果打开信宿节点和无线传感器节点电源开关，按信宿节点的0号按键，信宿节点发送开始指令。无线传感器节点收到开始指令后，由甲烷浓度传感器和温度传感器从周围环境采集瓦斯浓度和温度，信号调理电路对采集的数据做预处理，再由单片机对数据进行A/D转换、打包等处理，然后无线传感器节点进入发送状态。无线通信模块把数据包发送给信宿节点，信宿节点收到数据包后，由单片机对数据进行处理，然后显示模块显示各无线传感器节点采集的瓦斯浓度、温度以及各无线传感器节点的工作情况。同时存储器记录动态变化的瓦斯浓度，当瓦斯浓度超限或有节点失效时，报警电路立即报警。在无线传感器节点的工作过程中，可以设定传感器的采集频率为1次/s，无线传感器节点每发送/接收一次数据，状态指示灯就闪烁一次。而信宿节点在接收/发送数据时，状态指示灯则处于一亮一灭的状态，当关闭信宿节点和无线传感器节点上的电源开关时，信宿节点和无线传感器节点结束工作。

井下临时施工点结束工作后，通过信宿节点上的USB接口把数据输入到计算机进行分析。

5 结束语

该系统针对井下临时作业点的实时安全监测需求，采用无线传感器网络构成无检测死角的大范围监测网络，具有组网灵活、数据传输量大、准确率高等优点，可以根据需要更换网络节点。如在甲烷监测的基础上增加瓦斯探测、声光电气热探测、RFID人员检测等传感器探头，从而构成全功能的监测网络。

在设计初期必须保证网络节点的低成本、低功耗，随着开采过程的进行，初期部署的网络系统可能会转换为采空区长期监测系统，一般不可再次回收利用，因而必须做到低成本、低功耗。

最后需要强调的是，网络节点必须防爆、防潮，符合煤矿井下电气设备通用要求，否则研制出的系统不宜在井下部署和使用。

［1］ 杨维，周嗣勇，乔华.煤矿安全监测无线传感器网络节点定位技术［J］.煤炭学报，2007，32(6):652-656.

［2］ 马祖长，孙怡宁.大规模无线传感器网络的路由协议研究［J］.计算机工程与应用，2004，40(11):165-167.

［3］ 马祖长，乔辉，孙怡宁.一种无线传感器网络的设计［J］.仪表技术与传感器，2003(11):49-51.