探析无线传感器网络在矿山安监系统的应用

2021-11-28董泓吾

中国金属通报 2021年5期

董泓吾

（河钢集团矿业公司石人沟铁矿设备保障中心，河北遵化 064200）

我国在矿井安监系统的研究上起步较晚，仅仅在上个世纪改革开放之后才引进相关系统。后来在经常长期的使用和实践当中，推出了一系列仿制的系统，并在实践中加以改进，成功的研发出了KJX系列的安监系统，但是伴随着我国科学技术的进步，对于这个早期的系统已经被完全取代。在当下我国已经可以自主研发出相应的监控系统，但是依然在实际的使用中，面临着诸多方面的问题。例如，系统由于采用的是有线网络，这样就使得在实际的使用中，有着较高的投入成本。在系统的安装以及维修上较为困难，加上系统的功能局限性，使得无法有效的获取到全面的环境参数和施工人员的作业信息。在当下的研发中，出现了无线传感器的安监系统，以此有效的解决了传统系统的缺陷。

1 研究背景

煤炭产业一直都是国家和社会发展的重要能源物质，构成了工业发展的主要基础条件。我国无论是在煤炭储量还是在煤炭的开采量方面，一直都在世界的前列。加上我国的经济高速发展当中，使得对于煤炭能源的需求量不断的提升当中，要进一步的加大煤炭的开采规模。但是煤炭的开采过程中，其实际的生产环境有着一定的特殊性，因此施工人员在参与作业中面临着较大的安全威胁。一旦在煤炭的开采中，仅仅重视经济效益和煤炭开采的数量，就会造成较大的安全事故，为国家和人民群众造成巨大的损失，并不利于煤炭行业的整体发展和进步。为此，在当下的发展中，国家制定了相关的安全避险规定，使得在井下安全监控技术的使用中，有着更高标准的要求。这样的背景下，无线传感器技术便运用在了煤炭开采领域当中[1]。

2 无线传感器技术

无线传感器技术使用中智能化、自动化的无线网络监测技术，可以有效的在开采煤炭的过程中，满足煤炭开采的各种安全方面的监测需求。例如，在实际使用的过程中，可以实现人员定位跟踪、数据冗余处理等方面的技术，因此就可以充分的保障煤炭开采的顺利进展。

在设计的煤炭开采过程中，对于矿区和安全部门而言，需要对井下正在作业的工作人员开展实时定位跟踪，这样才可以及时的发现一些潜在的安全隐患，充分的保障作业人员的安全。定位技术是无线传感器网络的核心技术。例如，在发生矿难的时候，就可以马上对井下受难人员实现精确的定位，以此开展高效率的救援工作，大大提升施工人员的生存可能性。其次，伴随着当下科学技术的发展，已经成功的研发出一种锚点优化方式下的定位算法，这种算法可以实现智能化的人员定位功能。但是，由于在井下的施工作业的环境较为复杂以及空间有限，使得在锚点的数量上有限，因此会带来一定的通信节点连通性不足的问题，对于精准定位也会造成一定的影响。另外，处于成本的限制，也需要对锚点的数量合理的降低，这就使得依靠锚点数量的提升来实现精确定位的可能性不高。在当下的设计中，更加需要对锚点实现科学合理的设计，结合其作业的实际环境，使得锚点处于最佳的位置，这样就可以在保障定位精度符合安监要求的前提下，还可以起到节约成本的效果[2]。

3 无线传感器网络系统的构成

对于无线传感器网络领域的研究，最早由美国军方提出了应用在军事当中的传感器网络。伴随着科学技术的发展，现阶段该技术已经应用到各个领域当中，例如对于森林火灾、环境监测、医疗护理领域，都实现了该技术的应用。无线传感器在系统的组成上，主要由数据获取网络、数据分布网络以及控制管理中心所构成。并集成了众多的传感器、数据处理单元以及通信模块节点。在不同的节点当中，利用相同的协议组成了分布式的网络，之后再对此数据进行全面处理和优化之后，便可以有效的形成无线电波，进而将其数据信息传输到信息处理中心当中。

在当下构成的无线传感器网络当中，并没有中心节点的自主网。另外在所有的网络节点当中，有着相同的传输地位，每一个单独的节点或者在局部区域的节点上，即使发生了故障问题，也不会对整体网络造成瘫痪方面的影响。在构成的网络拓扑结构上，呈现出动态化的特点。但是，该网络的传输能力有限，在每一单独节点上，所能够传输的数据量并不强，但是足以满足系统上对于信息数据的传输需求。在实际的使用上，并不需要人工参与到能量的补充，因此构成了一种无人看守的网络类型。另一方面，在物理层上，当下构成的无线传感器网络依据IEEE网络标准，使得十分适合矿井下的监测工作。

4 矿井无线网络监控的系统

4.1 网络构成

在将无线传感器网络应用到矿井的开采过程中，首先要结合起当下矿山巷道，以及作业的工作面的实际情况进行合理的分析，以此构成合理的无线网络监控系统。

在系统的构成上，主要由监控中心站主机、监控管理软件、数据接口、避雷器、通信电缆以及网络转换装置所构成。在众多的系统组成上，监控中心站主机，是整个系统运行的关键所在，可以对采集的数据进行显示，并形成数据报表、曲线显示，以及各种图像的形成。在具体的运行过程中，一旦系统检测到一些异常数据，就会向执行器发出执行的指令。

在当下无线传感器的网络构成中，其计算机可以提供USB、RS232等接口类型。但是在实际的使用中，往往对这种类型的接口的使用，有着一定通信距离方面的限制，因此就无法有效的连接到工作面的一些设备。因此，对于当下远距离的通信协议设计中，主要采用RS485、TTY以及CAN总线等类型的协议类型。但是在监控中心站的计算机设计中，由于无法很好的与这类型的协议进行连接，就十分需要在传输接口的使用上，要实现协议方面的全面转换。

其中系统的防雷装置的设计，是为了在实际的运行中，避免通信电缆出现较为严重的浪涌电流，因此起到充分保护系统在实际的运行中，不会受到浪涌电流方面的危害。而在通信电缆的连接井下，所使用的无线传感器局域网，以及构成的井上监控中心，要将电缆直接敷设到作业面之上，以此形成连通的网络转换装置。

在系统当中的网络转换装置，是一种基于无线网络传输协议，与有线网络传输协议进行实时交换的装置，因此系统运行中，可以实现有线网与无线网的PAN连接。另外，在无线网络协调器的使用中，主要由终端节点构成一种无线传感器网络局域网。而在协调器的使用上，相当于传统监控中分站。而在无线网络协调器，以及网络转换装置当中，需要装设在相同的设备之上。而在协调器上，就需要使用初始化网络、在临近设备的发现、连接以及断开网络方面，可以实现诸多的任务。

其中在节点的设计上，与传统传感器网络当中的传感器、执行器以及声光报警装置的功能相似。但是，无线传感网络的协议中，节点可以有效的作用于一些移动的目标上，例如可以作用于工作人员的传感器设备、生理检测传感器设备等，形成良好的数据协调。另外，在协调器的设计上，采用的是与周围节点呈现出拓扑结构的设计类型，使得在不同的星形网络当中，利用电缆的方式进行连接[3]。

4.2 工作原理

系统运行中，需要将ZigBee无线收发传感器，以及执行器终端分别安装在井下的设计好的位置上。在间距的设计上，需要将井下巷道当中，保障在70m以内就有着一个无线网络协调器，并搭配着一个网路转换装置。而在协调器以及节点的安装上，还要在每一个节点的设计上，都要有着两个以上的协调器，这样就可以在系统的运行中，即便某个协调器出现严重的故障，其他节点也可以马上进入到另一个协调器的网络当中，因此让整个网络系统顺利的运行下去，不会出现系统的瘫痪。

之后，由于无线网络协调器与网络装置相连，使得可以对每一个处于ZigBee上的节点数据信号进行采集，之后在有效的利用电缆的方式，将其数据信号传输到地面监控系统的计算机当中。计算机在得到了数据信号之后，可以对数据实现全面的分析，使得可以针对性的发出执行命令。执行信息达到网络协调器之后，便再次利用协调器，将执行命令发送到不同的无线链路当中，形成完整的指令传输流程。

对于不同的终端节点而言，都会得到独立且唯一的64bit IEEE地址，这样在不同的地址当中，都会形成相对单独的终端设备信息数据，或者对应着单独的工作人员个人信息数据。另外，对于每一个网络协调器而言，由于有着固定的位置信息，就会在矿山中形成一个固定的星形网络结构。因此，只有充分的利用网络协调器，以及周围的节点，就可以让网络协调器的众多子节点，形成列表的信息数据，充分的对节点实现良好的处理。另一方面，在发生事故之后，就可以基于地面监控的方式，使得计算机可以马上收集到事故的具体信息数据，并明确出事故的具体位置。

而控制中心计算机在运行中，是对整个安监系统实现全面监控的系统。例如，可以对采集当的信息数据实现综合性的分析和处理，以此对发出的执行指令进行分析和讨论。例如，针对矿山的瓦斯浓度超限进行动态的考量。之后，还要对计算机进行比较分析，以此可以对报警信号开展合理性的评估，要对电信号的控制动作实现针对性的控制处理。同时，计算机也可以在运行中，可以有效的实现数据方面的显示、保存和备份，例如对众多数据的查询、报表打印等功能，为矿井的日常安全运行做好保障。

而在监控中心的设计中，还要安装备用计算机，并让数据信息在备用计算机上保持着数据方面的更新。这时一旦在计算机在运行中出现了较为严重的故障，就需要让备用计算机马上投入到使用当中，以此降低数据方面的损失和故障，因此让控制中心的计算机不会由于系统的瘫痪而导致整个系统的不稳定性。

4.3 系统的日常运维

在安监系统的日常运行中，为了提升监控的效果，就要积极的开展系统的定期运维工作。首先，要建立出专门的监管部门，以此针对一些重要的安监系统，开展定期的巡检工作。在巡检的过程中，一旦发现了相应的问题，就要马上开展煤矿监控系统的升级改造工作，以此符合当下煤矿开采工作的监管工作[4]。

同时，对于工作人员的工作而言，还要加强执法工作强度，对系统的整体运行监管工作制定出合理的标准和制度，首先，建立出符合当下煤矿安监系统运行的建成制度。在日常的管理工作当中，让监控系统的管理工作纳入到日常的管理内容当中。重视起一些监控系统的不合理工作流程，例如在办理复工、开工的手续当中，要积极的将其审查内容实现严格的把关。一旦发现了日常安全检查工作当中的问题，就要积极让监控系统受到严格的管理，在面对情节严重的问题的时候，就要马上停产开展整顿[5]。