礦井臨時施工點安全監測傳感器網絡設計

李 資，蔣慧強

(1.新疆工業高等專科學校，烏魯木齊830091;2.新疆烏魯木齊市消防局，烏魯木齊830000)

1 引言

目前的煤礦安全監測系統不能從根本上滿足井下特殊作業環境，例如，采掘面大型機械設備的移動、主要設備的現場檢修等臨時施工點，不能滿足和適應傳感器節點的快速布防和對安全監控系統的動態監測與實時傳輸的要求，不能形成大規模的監控和監測信息的實時傳輸，導致井下臨時施工點成為煤礦井下安全隱患r主要場所之一。

針對礦井臨時施工點的網絡監控問題，設計了安全監控傳感器網絡，對網絡結構、傳感器節點的硬件及網絡通信協議進行了詳細論述。

2 網絡結構

井下臨時施工點傳感器網絡采用典型的星型拓撲結構，網絡架構如圖1所示。

圖1 礦井臨時施工點無線傳感器網絡系統結構圖

圖1中信宿節點放置于井下臨時施工點的安全監測區域中心，無線傳感器節點則均勻放置在監測區域，信宿節點中配置液晶顯示模塊、超限聲光報警裝置、無線通信模塊、鍵盤和存儲模塊，無線傳感器節點配置有無線通信模塊和瓦斯檢測設備(通常為甲烷濃度傳感器)，信宿節點由收發天線經無線射頻通信鏈路與多個無線傳感器節點相連，從而構建煤礦井下臨時施工點的安全檢測無線網絡系統。當在臨時施工點放置好信宿節點和無線傳感器節點之后，打開所有節點的電源開關，信宿節點和無線傳感器節點迅速自組織無檢測死角的無線監測網絡。

這種無線網絡架構系統的組成結構簡單，可以快速布設和組網，也可以在多個施工點重復使用，關鍵是具有功能復用性的信宿節點，它可以使得構建的井下網絡具有很強的實用性。

通常情況下信宿節點用作監視器，內置的顯示模塊實時顯示各個無線傳感器節點的工作情況。如果發現某個無線傳感器節點失效，信宿節點的顯示模塊就顯示失效節點的標識號，然后工作人員可以及時更換或檢修失效節點，保證井下臨時施工點監測區域能夠不存在檢測死角。當礦井中有異常情況發生時，信宿節點又可作為報警器使用。內置的報警裝置可及時報警異常情況，一旦信宿節點收到無線傳感器節點采集的瓦斯濃度超出設定的安全界限時，報警裝置能立即報警，工作人員可及時撤離或采取有效的安全自救措施。報警裝置的報警上限可以自行設定，可以在不同的臨時施工點視具體情況設定不同的安全界限。

另外，信宿節點內置的存儲模塊存儲了從無線傳感器節點收集到的數據，當臨時施工點結束工作后，通過USB接口把數據輸入計算機，從而可以查看臨時施工點周圍環境的瓦斯濃度，分析瓦斯的動態變化特征，找出潛在的安全隱患。

3 網絡通信協議的設計

井下臨時設施供電自組織通信協議主要實現物理層、數據鏈路層和網絡層，應用層的實現主要考慮具體的井下臨時施工環境［1］。

(1)物理層

主要負責感知數據的信息采集，即臨時施工點周圍環境參數的檢測，并對收集的數據進行抽樣，包括信號的調制解調、發送和接收等任務。通常該網絡采用無線電波載波媒體，工作頻段為430Hz/868Hz/915Hz。

(2)數據鏈路層

負責媒體訪問控制和建立節點之間可靠的通信鏈路，主要由媒體訪問控制MAC組成。系統采用基于預先規定的媒體訪問控制協議，首先由信宿節點向各個無線傳感器節點發送一個開始指令，無線傳感器節點偵聽到指令信息，轉為接收狀態。各個無線傳感器節點收到來自信宿節點的開始指令后，由接收狀態轉為發送狀態，并按ID×2ms(ID為各個節點的標識號)時間間隔逐個向信宿節點發送數據，這樣能避免信道中發生競爭沖突，造成數據包的丟失。

(3)網絡層

主要任務是發現和維護路由，該網絡采用按需路由協議，即采用“路由請求/路由應答”機制來建立路由。當節點需要去往某未知目的的節點路由時，廣播一個“路由請求”分組至源節點的所有鄰居。“路由請求”分組包含有“廣播標識”，保證每次廣播被唯一標識，也能夠避免被其他節點多次轉發。如果在鄰居節點中未發現目的節點，鄰居節點就轉發該“路由請求”分組，直到“路由請求”分組到達目的節點或是到達知道去往目的節點路由的中間節點，當“路由請求”分組到達目的節點或是知道去往目的節點路由的中間節點時，沿反向路由發送“路由應答”分組。該路由協議不僅可以實現鄰居節點間的單跳路由，也可以實現經多個中間節點轉發的多條路由。

4 傳感器節點的硬件設計

無線傳感器節點的電路結構如圖2所示［3］。

圖2 無線傳感器探測節點電路結構

從該電路結構可以看出，如果打開電池和電源開關，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器則分別從井下臨時施工點周圍環境中采集瓦斯濃度和溫度。從這兩種傳感器輸出的數據輸入到信號調理電路，信號調理電路進行預處理，預處理后的數據輸入給單片機，由單片機對數據作模/數轉換、打包等進一步處理后，將數據輸入無線通信模塊，無線通信模塊將數據發送出去，單片機同時由控制的狀態指示燈閃爍一次，無線通信模塊亦可將從信宿節點接收到的數據輸入給單片機。

圖3所示為信宿節點的電路結構方框圖。

圖3 無線傳感器網絡信宿節點電路結構

當打開電源開關后，狀態指示燈亮，按信宿節點上的0號按鍵，從單片機輸出一個開始指令進入輸入無線通信模塊，無線通信模塊將該指令發送出去。等待一段時間后，無線通信模塊將接收到的由無線傳感器節點發送過來的數據輸入單片機，這時狀態指示燈滅，單片機對數據進行處理后送到顯示模塊顯示，同時送到儲存器儲存。當有異常情況發生時，單片機控制報警電路報警。當臨時施工點作業結束后，將USB接口與計算機相連，這時存儲器將記錄的數據輸入單片機。單片機將數據經USB接口輸入計算機，同時可將計算機中的數據經USB接口輸入單片機中。

無線傳感器節點與信宿節點的通信過程如圖4所示。

圖4 探測節點與信宿節點之間的數據通信流程

如果打開信宿節點和無線傳感器節點電源開關，按信宿節點的0號按鍵，信宿節點發送開始指令。無線傳感器節點收到開始指令后，由甲烷濃度傳感器和溫度傳感器從周圍環境采集瓦斯濃度和溫度，信號調理電路對采集的數據做預處理，再由單片機對數據進行A/D轉換、打包等處理，然后無線傳感器節點進入發送狀態。無線通信模塊把數據包發送給信宿節點，信宿節點收到數據包后，由單片機對數據進行處理，然后顯示模塊顯示各無線傳感器節點采集的瓦斯濃度、溫度以及各無線傳感器節點的工作情況。同時存儲器記錄動態變化的瓦斯濃度，當瓦斯濃度超限或有節點失效時，報警電路立即報警。在無線傳感器節點的工作過程中，可以設定傳感器的采集頻率為1次/s，無線傳感器節點每發送/接收一次數據，狀態指示燈就閃爍一次。而信宿節點在接收/發送數據時，狀態指示燈則處于一亮一滅的狀態，當關閉信宿節點和無線傳感器節點上的電源開關時，信宿節點和無線傳感器節點結束工作。

井下臨時施工點結束工作后，通過信宿節點上的USB接口把數據輸入到計算機進行分析。

5 結束語

該系統針對井下臨時作業點的實時安全監測需求，采用無線傳感器網絡構成無檢測死角的大范圍監測網絡，具有組網靈活、數據傳輸量大、準確率高等優點，可以根據需要更換網絡節點。如在甲烷監測的基礎上增加瓦斯探測、聲光電氣熱探測、RFID人員檢測等傳感器探頭，從而構成全功能的監測網絡。

在設計初期必須保證網絡節點的低成本、低功耗，隨著開采過程的進行，初期部署的網絡系統可能會轉換為采空區長期監測系統，一般不可再次回收利用，因而必須做到低成本、低功耗。

最后需要強調的是，網絡節點必須防爆、防潮，符合煤礦井下電氣設備通用要求，否則研制出的系統不宜在井下部署和使用。

［1］ 楊維，周嗣勇，喬華.煤礦安全監測無線傳感器網絡節點定位技術［J］.煤炭學報，2007，32(6):652-656.

［2］ 馬祖長，孫怡寧.大規模無線傳感器網絡的路由協議研究［J］.計算機工程與應用，2004，40(11):165-167.

［3］ 馬祖長，喬輝，孫怡寧.一種無線傳感器網絡的設計［J］.儀表技術與傳感器，2003(11):49-51.