基于WiFi传感器网络的矿井通风监测系统

任 渊 李 宁 王李管 贾明涛

(1.巴彦淖尔西部铜业有限公司,内蒙古 巴彦淖尔 015099;2.中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083)

基于WiFi传感器网络的矿井通风监测系统

任 渊1李 宁2王李管2贾明涛2

(1.巴彦淖尔西部铜业有限公司,内蒙古 巴彦淖尔 015099;2.中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083)

通过采用超低功耗微控制器MSP430F149设计出便携式WiFi传感器，负责对矿井巷道内各类有毒有害气体浓度的采集、处理、存储以及管理；再利用交换机和综合基站并以光纤为传输介质，建立WiFi传感器网络系统，实现了便携式WiFi传感器采集的数据在无线传感器网络与Internet之间进行传输与转换；为矿山采场及巷道特别是掌子面和独头巷道的通风环境远程在线监测提出一种可靠的解决方案，有效避免了因在不了解具体环境参数的情况下爆破作业后盲目进行其他作业而造成的安全事故，并且在矿山的实际运用中获得良好的效果，确保了矿山企业安全生产，同时极大地提高了企业的经济效益。值得运用和推广。

矿井通风 在线监测 无线传感器网络 便携式WiFi传感器

通风系统[1-2]是矿山八大系统之一，其主要功能是为井下输入新鲜风流，排出粉尘、炮烟以及其他有毒有害气体等污风流，担负着井下工人生命安全和矿井安全生产的重任，因此对矿井通风状况进行实时监测显得十分必要和紧迫[3]。WiFi(无线相容性认证)是一个无线网络通讯技术的品牌，在短距离无线通讯中得到广泛运用，通过配合既有的有线架构来分享网络资源，具有成本低，架构方便、快捷等特点。

无线传感器网络[4-5](WSN)就是由部署在监测区域内大量的便携式WiFi传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息，并通过综合通讯平台把信息传输到监控中心，便于进行正确合理的决策。本研究采用16位超低功耗微控制器MSP430F149，构建了基于WiFi网络的矿井通风远程监测系统，并通过WiFi综合通讯基站和以太网交换机，实现了WSN与Internet之间的数据传输与转换。该系统已在某矿的“六大系统”建设中广泛使用，取得了良好的效果，是一种比较理想的矿井通风监测解决途径。

1 WiFi传感器网络系统架构

金属矿山井下生产环境有其自身的特点，由于爆破振动、机械设备撞击等因素的影响，必须使得网络传输平台具有更强的稳定性，因此对硬件设备的质量也提出更高的要求[6-7]。网络系统架构如图1所示。

图1 WiFi传感器网络系统架构

该传输平台主要由位于地表监控中心的核心交换机、井下汇聚层交换机、多功能综合基站以及便携式WiFi传感器等4部分组成。其中便携式WiFi传感器负责采集井下环境中各类有毒有害气体(CO浓度、NO2浓度等)以及温度和氧气浓度等信息，多功能综合基站负责接收采集的有毒有害气体等信息，并通过核心交换机和汇聚层交换机把信息传输到监控中心的服务器。多功能综合基站与便携式WiFi传感器通过WiFi网络进行数据传输。另外，核心交换机和汇聚层交换机还负责将WSN网络接入Internet，实现对井下通风环境的实时在线监测[8]。

矿内客户端由PC主机、客户端软件和后台运行的服务器端软件组成。其中服务器端软件负责读取和存储便携式WiFi传感器采集的有毒有害气体的信息，而数据的显示、分析、处理以及控制指令的生成则由客户端软件负责，从而有效的避免数据丢失和多用户访问时，数据不同步、不一致的问题[9]。服务器端软件和客户端软件的功能模块如图2、图3所示。

图2 服务器端软件功能模块

2 便携式WiFi传感器

2.1 便携式WiFi传感器结构

便携式WiFi传感器由传感器模块，数据处理模块，通讯模块和电源供应模块5部分构成，传感器模块包括温度传感器、氧气传感器、有毒有害气体浓度传感器及其信号处理电路。温度传感器为数字信号输出，无需A/D转换；有毒有害气体传感器[10]输出为μA级的电流信号，经由信号调理电路转化为0～2.5 V的模拟电压信号，由微控制器内部A/D转换器采集。仪器配备了5路有毒有害气体传感器接口，能够同时采集输出5种有毒有害气体的浓度数据。

图3 客户端软件功能模块

控制处理模块[11]采用超低功耗高集成度的微控制器MSP430F149，负责仪器对各类监测数据的采集、处理、存储以及管理人机交互模块、通信模块和电源模块。人机交互模块包括数据显示和按键输入。数据显示采用工业专用TFT彩屏，能够显示实时操作和采集的数据。

通信模块[12]采用了低功耗高级程度的SoC芯片CO2128，负责完成仪器的全部通信需求。CO2128 SoC芯片使用了1个ARM7处理器，内部集成了Flash和SRAM等存储器，内部集成了UART、SPI、USB v2.0 Full-Speed Host and Device、10/100BaseT Ethernet MAC和802.1lb/g的MAC/PHY层。802.1lb/g的MAC/PHY层主要负责无线数据收发，该芯片支持IEEE802.11b/g/n等协议栈。在此SoC的基础上外接了10/100BaseT Ethernet PHY，配备了WiFi天线和USB-B接口，仪器同时具备了无线WiFi，有线网络和USB通信功能，能够满足井下复杂环境的通讯要求。

电源模块采用了低功耗设计，选用低功耗芯片，可关机断电。仪器内部配备了一块可充电2 400 mAh聚合物锂电池，采用了低压差低静态电流的电源芯片LT1963。仪器的外部充电电压为5 VDC，内部工作电压为3.3 VDC。其工作流程图如图4所示。

2.2 传感器模块信号处理

便携式WiFi传感器[13]固件采用C语言进行开发，为了有利于模块的独立设计编写和测试，在模块设计方面尽量将功能细分，使得模块具有高聚合，低耦合的特性。

图4 便携式WiFi传感器工作流程

CO，NO2等传感器为三电极电化学传感器，它们的信号调理电路除了增益外其他均相同；O2传感器为两电极电化学传感器，自身能够稳定供电，不需要外部恒压电路。

O2信号处理及IV变换如图5所示，输出信号VOut1

VOut1=Is1×(R98+(R96+R97))/(R96·R97), (1)

其中，Is1为O2传感器输出电流，R98、R96、R97为转换电阻。

图5 采集的O2信号处理电路

CO，NO2等的信号处理及IV变换采用标准电路，如图6所示，输出信号VOut2

VOut2=Is2×(R84+(R78+R81))/(R78·R81), (2)

其中，Is2为CO，NO2等气体传感器输出电流，R84、R78、R81为转换电阻。

2.3 传感器测量地点信息的预输入

在存储测量值时要选定测量的地点，以便上位机接收到测量结果时可以还原数据的测量点，所以在存储时选择测量点的操作要简洁。经过对矿山实地考察研究后得出矿山是一个多巷道多分支的结构，因此可采用C语言的多叉树数据结构来表示矿山的实际结构。此树是一个深度和节点都不确定的多叉树，所以如何将多叉树以数据的形式进行构造并在小内存限制的情况下进行遍历就显得尤为重要，因此在实际操作中每个节点的遍历必须在存储器中进行，在设计上采用如下数据结构来表示每1个节点。

图6 采集的CO信号处理电路

每个节点所占存储空间最大是24个字节，每个AT24C512可以存储2 730个节点，完全可以满足矿井巷道预测点的信息容量需求。

2.4 传感器采集数据的存储

为了使便携式WiFi传感器存储空间最大化，在硬件配置上采用4片AT24C512和1片SPI接口的FLASH作为存储空间。可以根据实际情况对存储空间大小进行裁剪。SPI接口的FLASH采用MCU IO口进行模拟与其通讯。AT24C512通过I2C接口与MCU IO口进行连接，IO口采用模拟I2C的方式通讯，4片AT24C512可配置为不同的地址。每次保存的测量结果在每1条数据里面都带有充分的信息。

从上述的数据结构可以得出每次测量保存所占用的FLASH空间是46个字节，选用4 M的flash来存储测量结果可以存储91 180条，如果按1 s 1次进行存储，可以存储25.33 h，完全满足保证1 d井下测量数据不被覆盖的要求。配置参数选择保存在AT24C512中，存储分配结构如图7所示。

ABCDEFG

图7 存储分配结构

Fig.7 Storage and allocation structure

其中,A～G依次表示为表示标识便携式WiFi传感器的初始化信息；便携式WiFi传感器网络配置信息；便携式WiFi传感器的通道与各气体传感器对应信息；便携式WiFi传感器出厂信息；便携式WiFi传感器测量结果存储FLASH的信息；Reserved；预测点参数信息。

3 应用实例

在获各琦铜矿的“六大系统”建设中，广泛使用了便携式WiFi传感器，建立矿井通风的远程监测系统，系统正常运行时，在监控中心电脑上显示如图8的监测界面。

图8 监测界面

在测量时要能最大化真实地反映出图8的联系变化趋势，那么便携式WiFi传感器的采样频率和采样结果更新显示频率的选择至关重要。本实例中，选择采样频率是40 Hz，更新显示频率是500 ms 1次，对气体的A/D转换的采样采用定时器A自动进行，定时器A定时采用40 Hz的频率自动对气体通道的A/D值进行转换并把得到的值自动放置到一个缓冲区中，然后测量线程每500 ms从缓冲区中取值进行计算转换并显示。

4 结 论

(1)采用超低功耗微的控制器MSP430F149设计出便携式WiFi传感器，具有一次使用时间久、可靠性高，寿命长等特点，使用方便、快捷。

(2)通过客户机/服务器(C/S)的体系结构，将数据采集与显示、分析和处理2个过程相分离，使得两者互不影响，不会造成数据的漏采，同时有效避免多个程序访问硬件，增加硬件的负担，从而避免了数据丢失和多用户访问时，数据不同步、不一致的问题。

(3)通过实际运用验证，该系统为矿山的通风环境的监测起到了应有的作用，在掌子面以及独头巷道的通风环境监测中效果尤为明显，及时了解了掌子面和独头巷道的有毒有害气体的信息，避免了因爆破作业后根据经验来确定巷道内有毒有害气体浓度信息而进行其他作业所造成的安全事故，极大地提高了劳动生产率，给企业带来经济效益。

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(责任编辑 徐志宏)

Mine Ventilation Monitoring System Based on WiFi Sensor Network

Ren Yuan1Li Ning2Wang Liguan2Jia Mingtao2

(1.Western Bayannaoer Copper Co.，Ltd.，Bayannaoer 015099，China;2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

A portable WiFi sensor based on the ultra-low power consumption controller MSP430F149 is designed for the acquisition，processing，storage，and management of various toxic and hazardous gases concentration.The switch and general base station，with optical fiber as the transmission media，is used to establish a WiFi sensor network.This network is capable of realizing transmission and conversion of data acquired by this portable WiFi sensor between WSN and the Internet，providing a solid solution for online monitoring of ventilation environment for the stope and the tunnel especially for both the tunnel face and single end tunnel.Its application can effectively avoid accidents due to blindly operation when necessary parameter concerning the environment is scarce.This network has been applied in certain metal mine and produced satisfactory effects in ensuring safe production and expanding economic interests.Therefore，this network is supposed to be applied and promoted.

Mine ventilation，Online monitoring，Wireless sensor network，Portable WiFi sensor

2014-09-05

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(编号：2011AA060407)。

任 渊(1985—)，男，工程师。通讯作者 李 宁(1986—)，男，博士研究生。

TD672

A

1001-1250(2014)-11-117-04