基于WSN 的井下安全监控系统设计研究

李 彬

（霍州煤电集团吕临能化公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

目前国内煤炭的储量高达1800 多亿吨，年产量可达世界总量的三分之一。丰富的储量导致对其的能源依赖，煤炭是国内能源的主要部分，支持着国内经济的繁荣发展，是我国的支柱性的能源产业。但是煤炭开采除了少数地区为露天开采，大部分区域都为地下开采，因此受到地质条件的影响，安全事故时有发生。现在机械化程度并没有达到预期，很多时候还是需要大量的工人参与开采，因此对一线的工作人员生命安全带来很多威胁。由于井下开采网络较为复杂，通信设备受到各种因素的干扰，造成信息的延时，无法实现井上井下的统一调度，对井下安全也有一定的威胁。

目前，国内大部分煤矿企业中安全监控系统信号传输采用的是有线的形式，为了实现功能就需要在井下投入大量的传输线。随着巷道的延伸，传输线不断地在增加，过程中经常出现断裂等情况，造成信号无法传输，从而使得相关的安全仪器报警监控失效，失去其存在的意义，威胁井下的人员安全。针对传统方式投入大、传输慢、数据缺失等问题，本文在现有的安全监控系统上结合ZigBee 技术，通过搭建无线传感器网络平台，以传感器的形式，实现井下各类信号的实时传输，解决传输速率慢的问题，同时对参数进行分析处理，指导相关人员处理紧急事件，为安全生产提供保障。

1 WSN 无线传感器网络简介

为解决传统安全监控的问题，需要将信号采集传输实现无线的形式，WSN 无线传感器网络的出现[1-5]，解决了以往系统传输慢、数据只收集不分析、成本高、维修难度大等问题。在创建WSN 时，首先必须先搭建拉通适合的通信协议。通信协议是实现无线连接的基础，在信号传输过程中充当的是信号线的作用。目前被广为使用的通信协议有如下几种形式：红外传输、蓝牙传输、局域网传输、专用无线传输平台、ZigBee 传输技术等。每一种通信协议都有其最佳的使用场景，本文不做一一赘述。根据复杂的地质环境以及恶劣的工作环境，为保证实施有效的信号传输，本系统使用的是ZigBee 传输技术。ZigBee 传输技术是一种专门服务于工业领域的通信技术，该技术充分响应节能降耗的口号，能够通过较低的投入、较低的能耗、简单的操作实现自动控制以及无线传输控制，同时可以实现嵌入性的应用，将定位芯片等植入其中，实现定位等功能，便于井下工作人员携带。

2 安全监测系统整体设计方案

基于WSN 无线传感器网络井下安全监控系统的设计是一个极其复杂的工程，该网络需要与系统相连接，不管是从应用环境还是具体实施，关系到系统的软硬件的设计。在系统设计时首先明确系统的应用环境，其主要是应用在井下地质环境较为复杂、巷道条件较为艰苦、被岩石以及煤炭充斥，同时还有大量的机械设备、空间狭小的环境中，需要与其余各种设备包括通风系统、采煤系统等一起工作，对信息采集以及设备的可靠性提出了不一样的考验。对于ZigBee 传输技术为基础的无线传感网络安全监控系统需要实现的功能是，通过分布在井下各个位置的传感器，将井下各重点位置的信息进行收集，再通过无线传输将信息输送到井上监控室，实现井上井下的实时互动。针对系统的功能要求，结合井下的实际情况，同时经过反复的推演，最终确立无线传输技术下安全监控系统的设计方案。监控方案流程图如图1。

图1 基于WSN 安全监测系统

系统的工作原理以及工作流程如下：

由于本次设计所研究的矿井其深度在地面以下450 m 以上，巷道长度达到了5 km 以上，工作面深度较深，受地质组成影响，工作面环境很恶劣，目前采用机械化的开采模式，在此工作面上为保证监控效果，预计设置传感器节点380 个即可。通过在巷道各个位置设置的节点的作用，在正常工作情况实现信号感应、数据采集以及数据汇总即可；在突发情况下，感应数据异常时，能够自发地调整传感器的发射以及接收的灵敏度，协助信息的采集以及异常的处理。通过各个节点采集的信息，最终都会统一汇总上传至井上监控室的工作总机上，将井下传输的信号数据，进行实时的分析处理以及数据波动的实时显示，当数据超出安全界限时，及时报警同步采取相关措施对异常进行停机等的处理，实现井上井下的互动。前文提到，井下充斥着各种设备各种系统，其相互之间会存在信号的干扰等现象，因此，为了保证安全监控系统的有效工作，需要在安装数据信号采集的节点周围安装一个抗干扰的传感器节点，其通信方式一般采用直序扩频，实现信号的有效传输，屏蔽井下复杂环境对信号的干扰。在各个节点之间，并不是单军作战，其每个节点上都带有接收信号指示灯，同时相邻的节点之间可以自组网形成一个小范围的无线通信网络，通过指示灯的提醒，可以实现小范围节点通信，防止由于某个节点失效而造成的信号遗漏等的问题，为信号的采集提供保障。图示中规划的移动节点，就是充分利用其定位等的功能，将传感器节点由井下工作人员携带，节点将随着人员的移动而移动，此类节点的主要功能是实时传输位置以及所在位置安全信息，保证了井下员工的安全工作。

3 监测系统主要硬件选型设计

基于WSN 的安全监控系统设计过程中，其硬件的选型设计是最为关键的。根据系统的总体设计方案要想实现系统的功能，就需要集成无线传感器节点，其由信号采集、接收模组、数据分析处理模块、通信模块、能量模组等部分组成，然后通过自组网的形式将分布的节点组成小组的模式，加强了系统的可靠性、传输信号的稳定性、作用范围广等的特性。在系统中需要大量的传感器节点，而其一般无法二次使用，因此大多数的寿命只有一次，因此在保证性能的前提下，成本成为制约的关键。所以本系统选择芯片为16 位的MSP430 单片机MSP430F149，以及2.4 GHz 频率下工作的无线通信模块来组成节点。除了节点的选择外，还有其他硬件的选择，具体的设备型号信息见表1。

表1 WSN 的安全监测系统硬件设计明细

4 结论

目前国内的煤矿安全监测监控系统为有线网络，随着矿井开采深度增加，信号线的不断延伸，过程难以监控导致指令不能有效传输，而且有线的方式存在投入大、传输慢、维护难、缺乏分析报警等问题。本文在现有的安全监控系统上结合ZigBee技术，搭建无线传感器网络平台，通过对安全监控系统的总体设计方案的制定，对稳定安全信号处理传输线路的规划，结合硬件的选型设计，初步完成了系统的搭建，后续持续监控系统的运行，旨在实现井下各类信号的实时传输，同时对参数进行分析处理，指导相关人员处理紧急事件，从根本上降低煤矿的安全隐患。