基于無線傳感網絡的礦山機電設備安全狀態監控系統

韓天峰

（青島酒店管理職業技術學院，山東 青島 266100）

中國作為世界上第一大礦產資源生產國與消耗國。在國內的能源資源中，礦產資源在一次能源生產與消耗結構中所占比重高達百分之八十左右，在以后的五十年內還會一度升高至百分之八十五以上[1]，所以，礦山資源在相當長一段時間內依然還是中國的主要消費能源。歷經多年的發展，中國礦山行業的安全情況已經有了較為顯著的提高，然而井下傷亡事故依然頻頻發生，甚至一度會發生重大惡性事故，這早已經成為嚴重制約國內礦山行業持續健康發展的重要問題。因為國內礦山安全事故屢次發生，傷亡人數眾多，所以國內礦山的百萬噸死亡率始終居高不下，和國外資本主義國家相比依然存在著較大的差別[2]，而且伴隨礦山挖掘深度的持續加大以及高產科學礦井的發展，均為國內的礦山安全生產提出了一系列全新的安全問題。所以采用合理、高效、健康、可持續的手段轉變國內礦山安全情況及其落后狀況，強化安全管理以及安全科學技術的研發，合理、及時預防與控制各種傷亡事故的發生。

1 基于無線傳感網絡的礦山機電設備安全狀態監控系統的硬件配置

（1）傳感器模塊。在本設計之中，瓦斯傳感器主要是采取中國船舶重工集團有限公司第八一九研究所的LXK-8催發元件。這個系列元件主要是一種廣譜性的氣敏元件，適合用在石油、天然氣以及城市煤氣等多種可燃可爆氣體的監測與預警。Sensite公司高度集成的溫度傳感器芯片SHT20，采取并行時鐘傳輸線路SPK去和單片機維持通信同步，并行數據線DATA接收通信協議的一系列命令與信息，這可以直接提供溫度控制在-50℃～160℃范圍以內的、濕度在0℃～100%RH范圍以內的數字傳輸。

（2）基站接收機節點。基站接收機節點需要設置在礦井主巷道里面，接收到固定式無線傳感器網絡節點上傳的有關數據后，再借助于通信電纜把數據上傳至信息采集數據庫服務器內。

（3）信息收集數據庫服務器。信息收集數據庫服務器的作用就在于搜集并處理有關數據，將數據存儲在數據庫后，需要隨時關注向其數據變動并向有關監控單位提供準確的井下數據。

（4）監控臺。監控人員操作臺，有必要以圖形的方式對井下無線傳感器節點進行全面監控，詳細顯示出每一個數據節點的實際環境參數，從而具備了瓦斯超限預警等環境報警功能。

2 基于無線傳感網絡的礦山機電設備安全狀態監控系統的軟件配置

（1）通信接口協議的構建。礦井地面的監控中心PC機主要采取并口和下位機進行通訊。這里的下位機即無線網絡中的協調器節點設備，其他節點并不具有和PC機直接通迅的功能。Model bus RTU通信協議的傳輸手段主要包括兩種，即ASCII模式與RTU模式兩種。這當中PC機和協調器通信采取RTU模式，這種模式定義了環境域內的詳細內容并實現線路上的并行傳輸，確保數據及時為礦井環境打包與解析，具體見下表。

表1 Modbus RTU格式

表中Addr代表的是主機地址，Fun代表的是功能代碼，Data start reg lo則代表寄存器中數據開始地址的長字節，Data start reg lo代表的是寄存器中數據結束地址的短字節，Data of reg hi代表的是寄存器中數據讀取數量的長字節，Data of reg lo代表的是寄存器中數據讀取數量的短字節，CRC16 lo代表的是循環冗雜數據的長字節檢驗，CRC16 hi代表的是循環冗雜數據的短字節檢驗。

（2）無線網絡通訊軟件。系統利用無線傳感器網絡搜集到的數據上傳至中心站后必須立即開展數據整合與分析，而完成這部分功能的軟件則是基于數據庫的軟件組成，這部分軟件對礦下環境情況以及整個無限傳感器網絡的運行狀態進行及時的監控，并工作站提供歷史消息的查找、搜尋以及報警功能。

3 實驗與效果分析

與傳統的礦山機電設備安全狀態監控系統進行對比，對其數據傳輸速率進行比較。

（1）實驗準備。為保證實驗的準確性，將兩種礦山機電設備安全狀態監控系統設計置于相同的試驗環境之下，進行數據傳輸速率能力的實驗。

圖1 實驗對比圖

（2）實驗結果分析。實驗過程中，通過兩種不同的礦山機電設備安全狀態監控系統設計同時在相同環境下進行工作，分析其滲透率能力的變化。實驗效果對比圖見下圖所示。從實驗結果中可知，本文設計的基于無線傳感網絡的礦山機電設備安全狀態監控系統與傳統礦山機電設備安全狀態監控系統相比，對于礦山設備安全監控數據的傳輸速始終居高不下，一直在80%以上。實驗證明本文提出的系統設計具有極高的有效性。

4 結語

本文對基于無線傳感網絡的礦山機電設備安全狀態監控系統進行分析，根據無線傳感網絡的運行機制，對礦山機電設備安全狀態進行實時監控，實現本文設計。實驗論證表明，本文設計的方法具備極高的有效性。希望本文的研究能夠為基于無線傳感網絡的礦山機電設備安全狀態監控系統的設計方法提供理論依據。