無線傳感網絡技術在煤礦人體安全監測系統中的應用

摘要：煤礦安全尤其是人員安全是煤礦生產的主要問題，針對無線傳感網絡的發展和煤礦事故的問題，提出無線傳感網絡和有線系統結合的人體信號的監測系統，為煤礦的安全生產和事故發生后的搜救工作提供可靠的保證

關鍵詞：無線傳感網絡；煤礦安全；人體信號；監測

1引言

近年來，煤礦發生事故的數量在不斷增加，如何加強安全生產，提高預警和事后搜救工作效率，擺到了國家各級主管部門和領導的面前?，F有的煤礦監控監測而言，存在著地面與井下人員的信息溝通不及時；地面人員難以及時動態掌握井下人員的分布及作業情況。有線的通訊方式在動態生產的煤礦井下應用存在諸多不便，井下地形也復雜，有線布線不便，建設成本也高，另一方面現有的監控設備都是自成一個體系，沒有統一網絡平臺，兼容性很差。我們所希望的未來煤礦安全系統是能夠事先預測事故的發生，掌握事故的規律，做出定性和定量的評價，向有關人員預先警告事故的危險性，將事故的損失降到最低。本文所闡述的是無線傳感網絡在煤礦安全生產中的應用探索?；谀壳盁o線傳感器網絡技術的發展，希望無線的通訊方式實現井下安全監測系統的信息傳輸。

2ZigBee 無線傳感網絡技術

無線傳感器網絡是當前在國際上備受關注的，涉及多學科高度交叉，知識高度集成的前沿熱點研究領域，它綜合了傳感器技術，嵌入式計算技術，現代網絡及無線通訊技術，分布式信息處理技術，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測，感知和采集各種環境或監測對象的信息，這些信息通過無線方式被發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現物理世界，計算世界以及人類社會三元世界的連通。常用的無線傳感技術：802.11b、802.15.4、ZigBee、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA等；還有很多芯片雙方通信的協議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費頻段[1]。經過綜合比較，本文采用新興的ZigBee無線傳感網絡技術。

ZigBee技術的特點如下[2]：

a) 數據傳輸速率低：只有20～250 kbit/s，專注于低傳輸速率的應用。

b) 時延短：休眠激活時延和活動設備接入信道時延均為15 ms，典型的搜索設備時延為30 ms，這便可以使系統有更多的睡眠時間，從而大大降低能量消耗。

c) 功耗低：由于ZigBee的傳輸速率低，且采用了休眠模式，因此大大降低了功耗。單靠兩節5號電池便可維持6到24個月，這是其他無線通信技術望塵莫及的。

d) 安全性高：ZigBee提供了基于CRC(循環冗余校驗)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

e) 免執照頻段：采用直接序列擴頻在ISM(工業、科學、醫療)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)，均為免執照頻段。

f) 網絡容量大：ZigBee可采用星狀、樹狀和網狀網絡結構，并采用IEEE標準的64-bit編址和16 bit短編址。由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時，主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網。

g) 可靠性高：采用了CSMA-CA技術來避免發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。

h) 低成本：由于Zigbee數據傳輸速率低，協議簡單，因此大大降低了成本。

3無線傳感網絡在煤礦中的應用前端方框圖

4 系統功能的介紹

煤礦中需要監測的參數很多，可以分為靜態和動態參量和動態參量兩種。靜態的是指環境參數：比如瓦斯濃度，一氧化碳濃度等，本文主要探討點--針對移動的人的信息的采集，可以通過對礦工體溫或脈搏指標的監測來實現。用新型高分子壓電材料PVDF(聚偏氟乙烯)壓電傳感器對人體的脈搏信號進行測量[5]。PVDF具有壓電系數大頻響寬、聲阻抗易匹配、機械強度高、韌性好、質量輕、耐沖擊、易于大面積成膜和價格低廉等優點。然后由電荷放大電路、適調放大器、陷波器、低通濾波器、信號整形及光耦合等部分組成，完成信號的放大，濾波，電壓轉換。

通過脈搏傳感器采集到的信號經過TI公司的低功耗MSP430FG4618處理器，MSP430FG4618是16 位超低功耗 MCU，具有116KB 閃存、8KB RAM、12 位 ADC、雙 DAC、DMA、3 個 OPAMP 和 160 段 LCD[3]和符合ZigBee協議的CC2420無線收發模塊[4]把采集到信號傳送到礦井主干道上的網關設備。

煤礦井下覆蓋的地域范圍往往達數百平方公里，由各種巷道和工作面組成，僅靠單一的無線傳感器網絡完成各種信息的傳輸是不可能也不經濟的，必須在礦井的主巷道建立高速、高可靠的，由多種傳輸手段和傳輸媒質相互配合、相互補充、協調工作的主干綜合傳輸網。本系統把無線傳感網絡采集到的信號通過網關，利用電力線載波通信技術即把載有信息的高頻加載于電流，用電力線傳輸，通過調制解調器將高頻信號從電流中分離出來，傳送到計算機或其他終端，以實現采集信息傳遞。

無線傳感器節點以手表的形式佩戴在礦工身上，各個設備都擁有一個64位的IEEE地址，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定礦工身份。通過脈搏傳感器可以知道工人的動態狀況。

地面監測中心和總監控中心的是用來對整個系統的控制，數據處理和是否報警，當發生礦難時可以記錄人員的位置，通過脈搏信號知道工人生還的狀況，從而為是否營救，怎樣營救等問題提出更好的方案。數據處理的主要功能：考勤管理功能，通過監控中心對人員的下井次數，和井下停留時間進行統計從而實現工作人員的考勤管理功能；安全保障和事故處理功能，系統根據數據庫的歷史數據信息，可以迅速知道井下人員及重要設備的分配情況，通過脈搏傳感器可以知道人員的身體狀況，一旦出現煤礦事故，可以對被困人員進行定位和搜尋，便于人員的救助。

5 ZigBee模塊的軟件設計

人體的生理信號通過礦工所佩戴的\"手表\"的ZigBee傳感器節點來實現，ZigBee傳感器節點模塊體積小，重量輕，并由礦燈供電電池供電。礦工的安全帽上添加報警按鍵，使得礦工發出的報警信號及時上報和處理。同時，根據礦井的實際需要，井下每隔的距離安裝一個無線傳感基站模塊，同時在特殊需要定位點也安裝。這些基站模塊組成一個分布式無線通信網絡，各模塊相當于網絡的各節點。無線傳感器模塊體積小，并且不需要井下布線進行通信，是一種較優的選擇。ZigBee模塊進行通信之前需要進行有效初始化，初始化流程圖如圖2所示。

初始化通信過程中，ZigBee匯節點主動廣播接連信令，在傳感器節點成功接收和驗證一個數據幀和MAC命令幀后，向匯節點返回確認幀，傳感器節點的ZigBee模塊被置于Sleep工作模式，接下來匯節點與傳感器節點進行角色轉換，匯節點模塊處于從模式工作狀態，等候響應連接請求命令，此時ZigBee模塊工作在主模式下，等待著有需求時喚醒發起連接請求。初始化過程結束后，ZigBee模塊工作于Sleep模式，拒絕任何的連接請求。ZigBee模塊信息處理框圖如圖3所示。

總結。

煤礦安全是煤礦生產的永恒話題。人員的監控和救助是實現煤礦安全生產的重要保證之一，針對無線傳感器網絡的發展，本文提出對人體信號進行監測和對人員進行定位的無線和有線結合的煤礦安全監測系統，并闡述了設計思路。無線網絡在煤礦中有著廣泛的應用空間，使各地國家安全生產監督管理局能直接控制礦井安全管理，減少私人礦井所有者玩忽職守的可能，以達到進一步提高現有礦井安全管理水平的目的。

參考文獻

[1]李志宇 史浩山．無線傳感器網絡微型節點的實現．電子產品世界，2006.1

[2]王姝等．無線傳感器網絡的理論及應用．北京航空航天大學出版社，2007.7

[3]http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/msp430fg4618.html

[4]趙?。跓o線傳感網絡的煤礦瓦斯監測系統．工礦自動化，2007.10：第5期49～51

[5]任毅．基于無線傳感器網絡的遠程醫療監控系統研究．武漢理工大學，2007，5