面向煤礦安全的智能監控及預警系統設計

楊 陽，秦曉慧，付江龍

（河北建筑工程學院 信息工程學院，河北 張家口 075000）

0 引 言

煤礦安全關系到礦工的人身安全，煤礦安全問題是工業生產一直關注的重點問題。煤礦開采多為地下工作，面臨著光線差、有毒氣體易超標、頂部壓力大易塌方、粉塵濃度大、空氣潮濕、區域狹小易變形等多種危險問題，如何進行安全開采受到社會各界的關注。應用于煤礦井下的遠程監控系統以及對井下實時狀況進行危險度分析的預警系統是保障煤礦安全的重要輔助手段。

針對煤礦井下生產面臨的易爆、易腐蝕、事故多發、現有監控死角較多的情況，本文系統借助最新的信息化技術，從煤礦井下安全出發，將基于ZigBee的物聯網技術、多數據融合技術、數據挖掘技術、分布式數據處理技術應用于煤礦井下的數據采集、無線傳輸和有線傳輸相結合的數據傳輸、數據的分析處理、實時監控和預測分析，并在多種平臺的終端上進行可視化呈現。

1 智能監控及預警系統整體結構設計

本文系統主要實現對煤礦井下實時環境的多參數檢測，實時監控采集過程，有毒氣體超標實時報警，采用多數據融合技術以及數據挖掘技術對多種環境數據進行實時數據關聯分析，并將分析結果以人性化的方式在移動終端及PC機上進行可視化呈現。當分析結果超過預定值時，則報警。此外，系統具有反向控制功能，根據分析結果可以控制相應的設備工作，當溫度、濕度、瓦斯濃度等超過額定值時，啟動對應設備進行安全預防。礦井下智能監控及預警系統整體結構如圖1所示。

按照系統的網絡構成可將系統分為三部分，即井下基于ZigBee的無線傳感器網絡，井上由網關、任務管理器及服務器構成的Ethernet網絡，通過遠程網絡在智能終端及PC上進行可視化呈現的Internet網絡。由數據備份中心進行數據備份，由數據處理中心對多種傳感數據進行關聯分析。

1.1 井下基于ZigBee的無線傳感器網絡

由于井下環境惡劣、濕度較大，若在井下采用有線網絡，線路易腐蝕及折斷。ZigBee作為物聯網技術的新型關鍵技術[1]，具有低成本、高穩定性、易擴展、易布置、組網簡單等優點，適用于地形復雜、環境惡劣、檢測有死角的監控領域。所以本文系統在井下采用基于ZigBee的無線傳感器自組織網絡，拓撲結構采用環形網以及星型網，傳感器終端節點自組織快速形成無線網絡。

圖1 礦井下智能監控及預警系統整體結構框圖

1.2 井上Ethernet網絡及Internet網絡

FFD設備采集到的數據經多跳路由后傳輸到匯聚節點，在井上部分采用有線傳輸方式，匯聚節點通過以太網將采集到的數據通過網關發送給任務管理器，任務管理器具備一定的存儲計算能力。本文系統針對大型礦井采集數據量較大，需進行實時數據聯動分析并預測評價的特點，特在本文系統中通過服務器模塊進行數據庫操作及程序運行。

對于信息量較大且具有保存價值的數據，可通過互聯網將其上傳到數據備份中心進行備份存儲。對于關聯分析給出的可視化結果，可通過互聯網、移動網絡等發送給遠程觀測的智能終端及PC端。反向控制部分操作可由服務器程序自動進行，部分操作可通過遠程終端人為控制，或通過與井下工作人員的通信手動控制。

2 基于 ZigBee的無線傳感器網絡硬件設計

基于 ZigBee的無線傳感器網絡主要由終端節點、匯聚節點、網關以及任務管理節點組成[2]。終端節點由影響煤礦井下安全因素的相關傳感器節點組成，通過多種類型的傳感器對煤礦井下的瓦斯、煙霧、CO、溫度、濕度、粉塵、風速、頂板壓力等環境因素進行實時數據采集。終端節點的布置包括放置于固定檢測點的固定節點，以及置于井下工作人員頭燈上的移動節點。鑒于井下環境惡劣，傳感器易損壞，區域狹小，節點易更換的情況，無需過多考慮節點能耗問題，所以本文系統全部采用具備數據轉發功能的FFD全功能設備，不再使用RFD。ZigBee終端節點硬件設計如圖2所示。

圖2 ZigBee網絡終端節點硬件設計

ZigBee終端節點采用CC2530片上系統[3]，底層基于IEEE 802.15.4標準，應用層可基于TI公司的Z-Stack開發。CC2530是CC2430的升級版，在FLASH大小、MAC定時器信道及大小、封裝尺寸、可操作溫度等方面都有所提升，可與8051單片機兼容，能以低廉的成本快速構建強壯的無線傳感器網絡，具有系統可編程的256 B閃存、8 kB RAM、8通道ADC以及21個GPIO口。只需要一個晶振就可滿足網狀網絡系統組網要求，且自身功耗低，方便接入多個傳感器及外圍電路。

ZigBee網絡匯聚節點硬件設計如圖3所示。匯聚節點具有數據收集及轉發功能。本文系統采用有線通信和無線通信相結合的方式，體現在匯聚節點的通信模塊上，是井上、井下網絡的銜接點，與井下傳感器構成無線傳感器網絡，與井上設備構成井上以太網網絡。處理器使用Silicon Labs公司設計生產的C8051F126，其具有50 MIPS的CPU，12位ADC，片內集成JTAG，集成度高，可便捷地進行在線調試。

圖3 ZigBee網絡匯聚節點硬件設計

3 智能監控及預警系統功能設計

服務器數據處理中心首先將采集到的原始數據寫入原始數據庫，對不同類型的數據進行數據分離，得到CO，CH4，粉塵，溫度，濕度等實時傳感值；然后通過特定的最小支持度與置信度支持尋找最大的關聯數據頻繁集，進行關聯規則挖掘；再根據預先設置的安全報警值，對礦井下的實時環境進行評價，得到預測結果。

監控軟件安裝于PC端及智能終端。PC端具有對關聯分析結果進行可視化呈現，繪制分離得到的實時數據曲線，數據查詢及導出，顯示節點狀態、節點位置[4]，及時通知救援等功能，并可輸出響應指令對負載設備進行控制操作。PC端監控功能如圖4所示。

圖4 PC端監控功能

4 結 語

從礦井安全生產出發，本文提出了一種智能監控及預警系統設計方案。系統從網絡構成方面可分為基于ZigBee的無線傳感器網絡、井上Ethernet網絡和井上Internet網絡；從通信角度考慮，可分為井下無線通信和井上有線通信。采用實時數據關聯分析，將結果以人性化方式呈現在PC端及智能終端，監控側可向負載設備發出控制指令。