基于物联网的矿井安全检测系统设计

李瑞华，乔玉峰，刘 峰

（1．榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000；2．中国联通榆林分公司 陕西 榆林　719000）

基于物联网的矿井安全检测系统设计

李瑞华1，乔玉峰2，刘 峰1

（1．榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000；2．中国联通榆林分公司 陕西 榆林719000）

为了解决目前煤矿安全监测系统存在的问题，加强煤矿安全监测的准确性、实时性。提出了基于物联网体系框架的煤矿安全监测系统。该系统利用物联网感知技术对矿井下的煤矿安全生产的自然因素的指标通过无线数据通讯的数据感知和采集，实现矿井安全监控系统架构，重点研究了矿井监测系统的物联网架构、各无线节点接入技术的设计，从而提高煤矿安全监测的实时性和准确性。

物联网技术；无限传感网络；汇聚节点；ZigBee

煤炭企业由于在地下作业，工作环境恶劣，工作区域狭窄、照明差、潮湿、存在有害气体等很多不安全因素，致使煤矿安全事故频发、伤亡严重［1］。为了有效的降低煤矿事故所带来的损失，近几年来，煤矿安全生产监控系统得到迅速发展。虽然目前我国大多数矿井已经安装了安全监控系统，但都是基于实时监控，数据传输大部分采用的RS485/FSK中线树架构或者“以太网与现场总线”模式［2］，采用私有的通讯协议进行信息的传输与交互，系统的数据融合主要通过上位机实现。

1　传统煤矿安全监测系统分析

传统的煤矿监测系统伴随着采掘业的生产自动化与机械化的不断推进，其生产环境和生产过程的管控模式发生重大变化，通过对传统的煤矿安全监测系统拓朴结构如图1所示进行分析。主要存在如下的突出问题：

1）煤矿安全生产监测监控系统中各子系统彼此独立、自成体系，控制系统和管理系统不能实现联动；对影响煤矿安全的环境因素都是基于离散点的监测，覆盖面小，不够灵活，存在着“信息孤岛”现象，信息资源难于共享。

图1　传统的煤矿安全监测系统拓扑结构图Fig．1　Structure of coal mine safety monitoring system of the traditional

2）不支持传感器组网、缺乏传感层面信息融合与综合分析判定。传统的煤矿安全监控系统的控制逻辑由分站和中心站完成，交叉控制执行时间为系统。

基于上述分析，本文提出基于射频识别、无限传感器网络、新型传感器等技术为一体的物联网监测系统。

2　基于物联网的煤矿安全监测系统的设计

2.1基于物联网的煤矿安全监测系统架构设计

总体框架是煤矿安全监测系统的核心部分，基于物联网的煤矿安全监测系统框架系体系如图2所示，整个框架表示数据获取、数据传输、数据存储、数据处理、决策分析到信息发布的流程。

图2　基于物联网的煤矿安全监测系统体系架构图Fig．2　Block diagram of coal mine safety monitoring system based on the Internet of things technology

1）传感层功能：完成数据采集，采用RFID电子标签、各种传感器、视频摄像头、二维码等对矿井采掘过程中的自然环境的各种影响因素如：温度、湿度、CO、甲烷、矿压、顶板压力、粉尘、水位、电磁干扰、通风等进行实时采集。

2）传输层功能：实现数据传输，本架构采用有线和无线混合组网的模式，传感层的有线网接口只要与骨干网络、核心节点、关键节点之间的信息传输；无限网接口主要实现传感设备、空间有线无法实现场所间的信息传输，是对有限网络的必要补充。

3）持久层功能：实现数据的存储，通过虚拟技术整合现有的计算、存储、网络资源进行数据的分析计算、数据存储。

4）应用层功能：系统的监测、控制、预警功能，利用持久层的数据分析、计算实时提供矿井的安全指标状态。

2.2基于物联网的煤矿监测系统设计

煤矿物联网安全监测系统关键技术主要有［3］：一是传感曾的无线数据采集与感知；二是网络传输层远程智能化控制对采集到的数据，并进行数据分析、安全预警。

2.2.1系统硬件设计

传感与控制模块设计：数据采集与感知，主要通过温度、湿度、甲烷、CO、通分、顶板压力等传感器实时感知获取的数据传送到ZigBee协调节点。

无限节点模块设计：系统中各分层节点中通信模块软件设计包括 ZigBee网络通信和串口通信两部分［4］，其中ZigBee扩展协议主要针对低成本、低功耗的射频应用部分的网管协调。

电源板：主要对无限节点与传感控制等模块连接，并实现系统供电。

矿井物联网监控系统的硬件设计如图3所示，其中MUC为主控系统，电池模块实现系统的供电与连接，传感器主要实现监测点的感知数据的采集与获取，数据通过ZigBee网络进行上下双向传送，PC实现持久层存储的远程数据分析，从而实现远程控制、安全预警。

图3　基于物联网的煤矿安全监测系统硬件设计Fig．3　The hardware design of coal mine safety monitoring system based on Internet of things

2.2.2系统软件设计

该系统的软件设计主要包括：汇聚节点通讯模块设计如图4所示，汇聚节点属于网络管理者负责构建网络分配通信地址完成ZigBee组网的角色，在组网过程中需要处理PanID冲突和信道冲突完成组网的功能［5］。

图4　汇聚节点通讯模块设计流程Fig．4　The design of sink node communication module

ZigBee传感器、路由通讯程序设计如图5所示ZigBee网络通信的软件设计用于驱动 CC2530硬件组建网络，协调器设备（汇聚设备节点）分配给组网内部目标设备通信地址，路由设备路由附近传感器节点到协调器实现数据链路，传感器加入ZigBee网络通过无线网络通信传输采集数据［6］。

图5　路由和传感器通信模块软件设计Fig．5　Thedesign of Software aboutrouting and sensor communication module

3　结束语

基于物联网的煤矿安全监测系统研究旨在矿井的生产过程中提高矿井的自动化、智能化，从而实现矿井生产的安全监测、行业的远程监控、故障专家系统的识别、诊断与分析，实现安全预警。

［1］张雪平，杨兴全．基于物联网的煤矿安全监测系统研究［J］．电子测试，2014（22）:40-43．

［2］许金．基于物联网的煤矿安全监控系统体系架构研究［J］．工矿自动化，2013，39（12）:97-100．

［3］QI Qing-zhong．Strategic thinking of the internet of things and M2M Sevices［J］．International Journal of Online Engineering，2013（993）:77-81．

［4］韩伟聪，俞新武，李忠成．基于CC2530及ZigBee协议栈设计无限网络传感器节点［J］．计算机应用，2011，20（7）:184-187．

［5］马小平，胡延军，缪燕子．物联网、大数据及云计算技术在煤矿安全生产中的应用研究［J］．工矿自动化，2014，40（4）:5-9．

［6］齐立磊，王超．基于ZigBee的矿井无限传感器网络检测系统设计［J］．煤矿机械，2013，34（9）:252-254．

Design of coal mine safety monitoring system based on the internet of things

LI Rui-hua1，QIAO Yu-feng2，LIU Feng1
（1.Scholl of Information Engineering，YulinUniversity，Yulin 719000，China；2.Yulin Branch of China Unicom，Yulin 719000，China）

In order to solve the existing problems of coal mine safety monitoring system，enhance the accuracy and the realtime monitoring of coal mine safety．The network of coal mine safety monitoring system based on the framework of the matter is be put forward．The system makes use of the Internet of things sensing technology of the mine safety production of the coal mine natural factor through the wireless data communication data sensing and acquisition，coal mine safety monitoring system architecture，the design focuses on the architecture of Internet of things is the mine monitoring system，the wireless nodes access technology，so as to improve the real-time performance and accuracy of coal mine safety monitoring．

internet of things；wireless sensor network；sink node；ZigBee

TN711

A

1674－6236（2016）02-0135-02

2015-04-07稿件编号：201504045

榆林市科技局科研项目（GY13-14）；陕西省教育厅项目（2013JK11151）

李瑞华（1978—），女，陕西绥德人，硕士，副教授。研究方向：数据挖掘、物联网。