基于物聯(lián)網技術的井下安全網絡傳感檢測控制系統(tǒng)構建的研究

【摘要】物聯(lián)網技術與移動通信領域的CDMA技術以及GSM網不同的是，物聯(lián)網服務對象是工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數據傳輸，這種技術簡單，使用方便，工作可靠，價格低，采用物聯(lián)網技術減少了井下人員數量減低了工作強度，有助于礦井的精確監(jiān)控與礦井自動化的實現(xiàn)本文會從物聯(lián)網技術傳感檢測系統(tǒng)的信號控制方面做一些探究與討論。

【關鍵詞】物聯(lián)網技術;傳感檢測控制系統(tǒng);系統(tǒng)構建

1.引言

與移動通信領域的CDMA技術以及GSM網不同的是，物聯(lián)網服務對象是工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數據傳輸，這種技術簡單，使用方便，工作可靠，價格低，通常的移動通信網服務對象則是語音通信，移動通信基站的建造費用一般為數百萬元，物聯(lián)網基站估價則大約只有幾千元左右。物聯(lián)網網絡節(jié)點能夠通過連接的感知器進行數據收集和傳送處理信息，在信號控制范圍以內，物聯(lián)網網絡節(jié)點間可以和數個孤立的不承擔網絡信息中轉任務的子節(jié)點進行無線連接。由于礦區(qū)地下通信的不便利導致覆蓋盲區(qū)較多，并且礦井巷道地形復雜監(jiān)測點多，需要較大的網絡覆蓋，采用物聯(lián)網這種有高容量、高延展性、高可靠性的新興無線通信網絡技術非常適合應用在礦井復雜通信監(jiān)控領域。

2.物聯(lián)網無線通信傳感技術的介紹

無線傳感技術的微型感知器節(jié)點被部署在監(jiān)視區(qū)域中，它由無線通信以形成一個多跳物聯(lián)網網絡的形成，感知器節(jié)點將監(jiān)測的數據的內容和其它感知器節(jié)點的跳傳輸的特定信號最后的聚合到節(jié)點處。通過感知器網絡管理節(jié)點的配置和管理，可以進行該節(jié)點的監(jiān)視任務，也可以是收集的監(jiān)控信息的工作。節(jié)點的網絡數據傳輸模塊可以比作一個共同的移動網絡，在網絡內的基站，網絡數據傳輸模塊的東西可以進行彼此之間的信息傳遞，并和每個網絡節(jié)點之間的距離從75米延伸到后幾百米，可以達到數公里之遙。此外，還有是一個整體網絡的事情，物聯(lián)網無線通信網的最大優(yōu)勢是它的能夠和各種網絡連接。

煤礦礦井中采用無線傳輸方式構建的無線感知器網可以避免傳統(tǒng)的采用硬線連接，線路容易老化腐蝕磨損，故障率高，誤報警率高這些劣勢。并且無線數據傳輸避免了重新布線的作業(yè)，適應煤礦生產移動或變化的需要。

3.物聯(lián)網網絡拓撲結構

物聯(lián)網網絡拓撲結構有星型拓撲結構，集群樹和網狀結構三種。星型拓撲結構的節(jié)點和多個節(jié)點通信由于設計簡單，星型拓撲結構是適合于室內小范圍的應用，如家庭自動化，個人電腦周邊設備。樹形拓撲結構，其特點是它的對等對等網絡和分層樹路由機制。需要相互聯(lián)系，在一個無限的輻射范圍，如果它達到的通信要求，可以直接溝通。網絡的拓撲結構是復雜特性的層次結構樹中的點Z-AODV協(xié)議的路由，并在與航線的組合混合。

3.1 星型網絡的形成

圖1 星型網絡

網絡中心的協(xié)調，星形網絡是一個顯著的特點所有設備都可以和網絡協(xié)調員進行溝通。在星型網絡的形成過程中，首先是要確定網絡協(xié)調，我們知道，每一個的FFD設備存在一個網絡協(xié)調器和網絡的上層協(xié)議的可能性決定如何確定自己的網絡協(xié)調器。

激活一個FFD的移動設備時，廣播查詢網絡協(xié)調器的請求的第一步驟，響應接收到的網絡的網絡協(xié)調器存在，并進一步通過一系列的認證過程，常見的設備在整個網絡的設備的變化。如果認證過程是不成功的，沒有收到相應的響應，F(xiàn)FD設備可以建立自己的網絡，通過網絡的進一步發(fā)展，為整個網絡的協(xié)調。

我們知道網絡協(xié)調器要為整個網絡選擇一個與之匹配的具有唯一性的標識符，而且?guī)缀醺鱾€類型的星型網絡中的設備都會用這個標識符來規(guī)范本身的隸屬特性。但不同的星型網絡設備之間也可以互相通信來完成，通過設置專用網關。在選擇符合同規(guī)格的設備標識符，網絡協(xié)調裝置將被允許加入這些設備的匹配相關聯(lián)的通信網絡和服務。

如果兩個星型網絡設備互相通信，則相應的數據包被發(fā)送到相關聯(lián)的網絡協(xié)調器，然后由網絡協(xié)調器分別彼此接轉發(fā)。

3.2 點對點網絡的形成

和星形網絡不一樣的都是，區(qū)域點對點等網絡通信并沒有需要額外的設備來轉發(fā)，通常在一個特設的網絡環(huán)境下，雙方設備他們彼此能收到對方的無線電通信信號，可以進行相互溝通，直接與對方之間接觸。特別值得注意的是關系到一個ad hoc網絡需要連接網絡協(xié)調器，它的功能不是轉發(fā)數據，主要是完成登記和訪問控制設備和網絡管理功能。

圖2 簇樹網絡 ? ? ? ? 圖3 Mesh網絡

在傳送節(jié)點對傳送節(jié)點構成的網絡中，只要收到對方的無線信號任何兩個設備，就可以通信，無需其他設備轉發(fā)。但你仍然需要網絡協(xié)調器件，但協(xié)調的功能不再是其他設備的數據轉發(fā)，但要完成注冊和訪問控制設備等基本的網絡管理功能。網絡協(xié)調器所產生的相同的上層協(xié)議，例如，提供信道的通信設備，作為網絡協(xié)議的移動設備與所述第一信道開始。點對點網絡的一個特例就是簇樹網絡。

在這樣的網絡中的大多數設備是FFD設備，RFD設備正在使用中的連接到網絡的群集樹的葉節(jié)點。每個設備都可以作為一個FFD或RFD協(xié)調器的網絡協(xié)調器的其他設備提供同步信息。但通常只有一個可以作為對等網絡，整個網絡的協(xié)調器。網絡的協(xié)調員可能有更多的計算設備比其他任何顯著的能源資源以及資源。步驟中，網絡協(xié)調器的第一步是為他們的群集PAN不被使用，以形成一個網絡的第一個簇中選擇一個網絡標識符，在同一時間的簇頭。第二步是網絡協(xié)調器開始廣播信標幀。相鄰設備收到信標幀后，申請加入該簇。由網絡協(xié)調器決定設備可否成為簇成員，設備將作為簇的子設備加入網絡協(xié)調器的鄰居列表一旦所做的請求被允許。通常新加入的設備一般會把簇頭作為它的上級設備導入其鄰近的列表中。

4.煤礦井下物聯(lián)網無線網絡的設計

4.1 物聯(lián)網的網絡設備的組成

物聯(lián)網終端設備RFD設備屬于物聯(lián)網IOT協(xié)調員和路由器屬于FFD設備。

IOT物聯(lián)網網絡設備，主要協(xié)調員，網絡路由器，網絡終端設備三部分組成。物聯(lián)網協(xié)調員是啟動和配置網絡設備。保持間接尋址約束力的形式，和相關的支持協(xié)調員，協(xié)調員還可用于執(zhí)行其他活動以及信托中心的協(xié)調員。通常情況下，每個物聯(lián)網IOT只能配置一個網絡協(xié)調。路由器是一種網絡和支持相關的郵件轉發(fā)給其他的設備裝置。東西網或樹型網絡可以連接到多個路由器，但物聯(lián)網IOT星型網絡，但無法連接到互聯(lián)網，物聯(lián)網路由器。終端設備可以用來達到網絡的東西的東西需要與其他設備進行通信。

它的存儲器容量要求最少，功能相對簡單。終端設備可以用來達到網絡的RFD需要與其他設備進行通信。

4.2 煤礦井下無線網絡的結構

傳統(tǒng)的井下的網絡主要由有線網絡組成，由于煤礦安全系統(tǒng)控制范圍的增大整個信息系統(tǒng)的擴展以及信息采集的靈活性的增強，物聯(lián)網無線傳輸技術逐步代替了傳統(tǒng)有線網絡。

協(xié)調員將放置在原有的煤礦安全系統(tǒng)智能終端的有線網絡連接串行通信，這樣可以提供足夠的IOT協(xié)調員電源。除了協(xié)調整個網絡的協(xié)調，負責井口數據傳輸的數據畫節(jié)點，然后在現(xiàn)有網絡的基礎上，將數據發(fā)送到地面系統(tǒng)。將物聯(lián)網終端放置井下一線采煤技術人員以礦工身上，便于井下數據的一線采集，并且?guī)椭孛婀芾砣藛T清楚各個采煤工作面的人員位置。

物聯(lián)網終端設備提供了一個簡單，功耗低，攜帶方便，可長期使用簡化功能設備，通過插件相關的感知器，可以快速，準確地收集，如CO濃度，甲烷濃度，溫度井下工作面主要礦山生產數據。

每個工作組中安排放置一個物聯(lián)網路由器有助于現(xiàn)場數據和協(xié)調器之間有效的數據交流更好的達到網絡傳輸的效果。將煤礦生產一線的的數據最快地傳輸到地面監(jiān)控中心，避免很多突發(fā)礦井事故的發(fā)生，保障了礦工的生命安全也確保了煤礦安全高效生產的要求實現(xiàn)了可觀的社會以及經濟效益。

圖4 井下無線網絡的大體結構圖

5.煤礦井下物聯(lián)網路由的建立

現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)察系統(tǒng)，主要是通過有線的形式構成整個通信網絡，實際應用中會遇到很多困難，尤其是在網絡的可擴展性和網絡的靈活性，也存在很多問題。

結合煤礦井下，礦井技術人員由于工作的需要無時無刻不在走動，身上攜帶的物聯(lián)網節(jié)點在網絡中移動，另外，隨著煤礦下一水平的開采，勢必會進一步引起網絡拓撲結構的大規(guī)模動態(tài)性質的變化，每個節(jié)點間通過多條數據轉發(fā)機制進行數據交換，必須借助專門設置的路由協(xié)議進行相關分組轉發(fā)操作。煤礦的實際應用數據顯示，在無線網絡中使用一個自組織網絡路由協(xié)議的的煤礦安全系統(tǒng)是理想事情，井下無線網絡路由需要有效滿足煤礦的實際無線網絡的基本性需求。此協(xié)議hoc網絡環(huán)境下建立的路由節(jié)點。通過監(jiān)控網絡拓撲結構的變化，更新和維護路由。

6.煤礦安全網絡系統(tǒng)設計與集成

6.1 硬件設計

MC13192接收和發(fā)送集成電路模塊支持星型和網絡拓撲結構，包括IEEE 802.15.4物理層。

MC13192射頻芯片有效的解決了煤礦中無線信號傳輸的距離短的致命缺陷，與此同時MC13192的單價只有大約3美元左右。通常開發(fā)套件包含一個完整物聯(lián)網設計所需的全部網絡協(xié)議棧，花費大約在200美元左右，為煤礦生產節(jié)省大量的資金。煤礦在安全方面的需求為了防止功率過大造成礦井爆炸事故，非常嚴格的要求各器件的輸出和輸入功率，MC13192芯片采用超低功耗模式，輸出功率通常為0到3.6dbm，完全達到煤礦安全生產的要求。

在煤礦中，為了使2.4GHz頻段的射頻數據調制解調器MC13192、IEEE 802.15.4兼容性MAC軟件，以及一顆低電壓、低功耗的MCU-HCS08系列芯片兼容，采用了物聯(lián)網-Ready平臺。

圖5 ZigBee-Ready平臺

6.2 煤礦安全系統(tǒng)集

圖6 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)網絡結構圖

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，從地面控制中心，軟件系統(tǒng)，地面網絡系統(tǒng)，無線網絡的地下礦山和各種感知器組件到中心網絡安全體系。整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心是集中管理和控制運行傳送數據給地面控制中心。它主要由系統(tǒng)管理服務器，監(jiān)控主機，網絡設備來完成。其中，用于監(jiān)控主機運行的監(jiān)控系統(tǒng)軟件，可以把多臺計算機組合成計算機網絡，實現(xiàn)數據共享。

7.小結

必須要根據煤礦井下具體的作業(yè)環(huán)境，應用物聯(lián)網技術設計煤礦中通信的路由，規(guī)劃無線網絡的拓撲結構，進行煤礦安全網絡的硬件設計和系統(tǒng)集成。達到煤礦的自動化檢測保證礦工的生命安全，確保煤礦安全高效生產以及經濟效益的顯著提高。

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作者簡介：

陳國慶（1964—），男，廣東興寧人，大學本科，工學學士，副教授，高級技師，廣西電力職業(yè)技術學院電子與信息工程系副主任，主要研究方向：電氣自動化及節(jié)能技術。