無線傳感器網絡在礦山井下環境監測中的應用

礦山井下安全取決于環境條件，通風、溫度、粉塵和易燃氣體，這些因素都是影響環境條件的因素。井下開采主要危害包括礦物自燃、易燃氣體爆炸、粉塵爆炸等。由于近地表礦產資源枯竭，開采已進入更深層，難以開發礦層。通風不良會產生濕熱有毒氣體，以及大量的易燃氣體和粉塵，并且井下環境條件惡劣。因此，為滿足礦山開采需求，需要對井下危險環境進行監測，以確保安全的工作環境。為解決這一問題，實施無線傳感器網絡監測系統，監測井下環境。無線傳感器網絡監測成為重要技術，可以通過在適當位置部署傳感器來收集數據，并監測可能發生的爆炸和其他危害，并根據危害種類提供必要的報警。

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1 無線傳感器網絡的檢測系統要求

1.1 硬件系統設計

為了監測采礦環境，必須在放置多個無線傳感器來監測溫度和瓦斯濃度等環境。在地下礦井里，將測量數據實時傳送到上位機。如果出現異常情況，終端負責響應告警，將告警信息傳送給控制計算機。根據應用環境和技術，硬件應可檢測井環境中的溫度、濕度、易燃氣體等變量；系統需要具有通信方式，保證終端節點在復雜的環境下數據傳輸的穩定性。確保有足夠距離以保持通信；終端節點必須具有報警功能，當環境超出安全時會觸發；終端一般采用電池供電，需要低功耗、高效率，保證工作的穩定性，在井下長期穩定工作；需要一定的存儲以保證斷開連接，數據可以暫存本地，重連后再自動傳輸到后臺；為保證系統使用的可擴展性和靈活性，終端連接和輸出不影響其他節點的通信。

1.2 軟件系統設計要求

終端軟件比較簡單，需要在環境變量超過范圍時激活報警，環境變量的收集和傳輸。軟件系統主要在后臺控制計算機。根據應用情況和系統要求，管理計算機上的軟件應功能模塊化，系統可以支持不同設備，對各個子功能的進行模塊化，以保證程序可靠運行，子模塊的功能基于通信接口。添加新功能時，添加子功能模塊，無需更改主程序。由于礦山井下監測是長期過程，必須具有較高的使用穩定性。在系統中配置定時器程序，監控程序狀態。程序啟動不正確，立即重啟程序，以保證數據傳輸和系統的穩定性。需要支持多種通訊，后臺管理應無線連接終端節點，通過有線連接后臺服務器。軟件開發必須支持多種通訊方式。控制計算機數據傳輸、讀取和搜索、報警狀態等。系統應優先任務，因為可能存在傳輸、存儲、搜索等幾種情況，然后進行優先處理，確保系統穩定地處理。

2 總體系統設計

基于對礦山井下監控系統的需求，確定系統的組成。礦山井下監控系統設計圖由系統由智能監控終端、無線基站、通信和后臺控制組成。監控終端對環境數據進行采集，與無線基站保持連接，將采集數據傳輸到無線基站。無線基站的通信僅限于井下，可根據井況將基站安裝在重要場所。網關主要功能是數據傳輸，由于無線傳輸需要傳輸到有線網絡，需要網關的輔助。根據礦井情況，在礦井的入口處安裝網關，可以提供與無線基站通信，方便地連接到有線網絡。?控制是整個系統的核心，控制對通信網關數據進行處理和整合，存儲在數據庫中，支持數據查詢。當緊急情況時，可以立即警告并通知相關處理人員。

3 礦山井下監控系統實施

3.1 硬件系統的應用

根據安全規范，在井下工程采礦部位、通風口等容易積聚瓦斯重點部位安裝傳感器。黑白瓦斯傳感器占主導地位，因其成本低而被應用于能源開采行業。激光和紅外傳感器逐漸被采用，光纖傳感器在使用仍處于起步階段，是由于缺乏行業標準。系統由傳感器、數據或信號發射器、數據服務器和顯示器組成。傳感器數據通過光纖傳輸線傳輸到數據中心服務器，在網絡中進行點對點傳輸。報警閾值通常設置為1%作為信號。當環境瓦斯濃度達到1.5%時，傳感器站會激活生產設備的斷電信號。光纖瓦斯傳感器與傳統傳感器具有許多優勢，光纖瓦斯氣體傳感器用于監測瓦斯濃度，并提供完整的范圍。使用激光、紅外線傳感器可將校準周期延長，從而減少維修傳感器人員數量以及與傳感器校準相關錯誤。

礦產資源開采與粉塵有關，產生粉塵的采礦包括鉆孔、爆破、裝載和運輸。粉塵污染礦山，還會給帶來健康問題，導致塵肺、支氣管炎、哮喘和肺結核等疾病。礦山機械化水平提高，加劇了揚塵問題。監測礦山井下環境粉塵濃度是將粉塵濃度控制在范圍內的條件。由光學和傳感器組成的傳感器網絡，為自動控制傳感器，用于監測礦山井下不可燃粉塵的總含量。傳感器遍布礦井，并使用介質和連續光學方法來評估粉塵的可燃和含量。

3.2 軟件系統的應用

伴隨著大量熱和壓力波。井下爆炸由易燃氣體或粉塵混合爆炸引起。礦層釋放的可燃氣體物主要由瓦斯和其他微量污染物。礦井大氣瓦斯積聚將導致礦井爆炸風險。最強的爆炸在氣體的10%左右，略高于混合物。除瓦斯外，井下大氣中還有H

、CO、H

S等爆炸性氣體。井下高濃度的粉塵微粒被火源點燃，導致粉塵爆炸。多數情況下，粉塵爆炸是由沼氣引起。揮發分和粉塵濃度是影響爆炸性嚴重程度的參數。

丁小強端起茶幾上的一杯水，咕嘟嘟地喝下大半。又走到門廳的穿衣鏡前端詳了自己一番，沒瞧出什么異樣。這才回身坐在寬大的沙發上，斷續地想著牌桌上的好事。這時，布雅蘭的手機在茶幾上閃爍不停，是短信的提示。短信收到，主人不讀取的話，手機會每隔幾分鐘提醒一次。丁小強沒有多想就拿起手機，這款手機還是丁小強出差香港的時候給布雅蘭買的，事先也沒告訴她。是給布雅蘭四十歲的生日禮物。

4 無線傳感器網絡在井下環境監測中的應用

4.1 瓦斯在線監測的應用

監控終端要實現對環境數據的長期監控，由智能監控終端傳輸。智能監控終端包括電池、無線模塊、傳感器和報警系統等。電池是監控終端的電源，為整個模塊供電。無線傳輸是監控終端的通信核心，支持終端與基站的連接，支持數據傳輸，傳感器可實現環境采集和監控，電能采集通過改變電量指示燈來查看電池電量，并顯示剩余電量。當監控數據超出范圍時，報警模塊發出報警。微控制器用于控制智能監控終端和其他功能集成時序。是智能終端的核心，需要重點關注。無線基站模塊具有傳輸監控終端返回數據的功能，無線基站組成部分與監控終端類似，但實現細節不同。無線基站要更強的處理，計算能力更強，適合作為數據傳輸控制芯片。由于對基站移動性要求不高，無線基站可以有線，也需要電池，需要保持應急斷電。備用基站應配備電源系統，支持無縫切換。終端通過無線傳輸模塊、基站和通信協議支持無線網絡，可支持監控，自由進出終端。可以連接到多個終端并接收數據。無線傳輸應支持信號傳輸功能，應配備PA模塊，以保證區域有效覆蓋。

4.2 坍塌監測

基于無線傳感器網絡的環境監測系統從實際生產出發，在應用中應滿足用于安全生產，在監控范圍內監控環境數據采集，當數據超標時報警，通過繼電器監控井下設備的運行。現場操作人員監測生產有害因素，以防止氣體過高和滲水事故。在生產過程中，需要具有自主處理功能。為實現對井下環境監測，將環境參數傳輸至平臺，專業人員通過接入互聯網平臺，終端設備獲取環境參數數據，功能實現方便。當危險參數超過閾值時觸發報警，并關閉區域設備的控制功能，以便對危險的檢測做出反應。當發現氣體超過正常值時，及時發出警報，并根據現場情況關閉關鍵設備，避免危及人員和財產損失。

4.3 溫濕度及氣壓監測

“口頭程式本質上是聲音、形式與意義的歌唱模式”[10]。如果以詩歌的音美、形美、意美來對應，程式作為一種固定形式，對應的是音美與形美；而主題作為一組意義，對應的是意美。換言之，主題是民歌創作時的宏觀指導思路，而程式則是構建民歌詩行的具體韻律、語法規則。綜合起來，民歌的創作是以主題為引導，程式系統為調控，以詞語、格律為手段的過程。“花兒”作為一種少數民族口頭文學形式，反映的是西北民族地區的民風與民心，具有獨特而穩定的形態和表現形式，具有表演性、民族性、瞬時性、動態性、語境化等特點，它的對外譯介不能簡單地搬用書面文本文學的譯介思路與方法，應采用異化策略與民族志式深度英譯方法。

4.4 監測爆炸

監控終端軟件功能是提供不間斷的通信，將采集到數據傳輸到控制計算機。為了保證通信的連續性，對通信過程進行設計。在終端軟件中，初始化發送的數據，指定地址和端口。設置打包數據，如果數據包過長，需要分段檢查。等待無線基站返信息，如果傳輸失敗，需要重新傳輸。選擇VC++提供技術訪問服務器數據庫進行添加、搜索和刪除。必須先初始化COM環境，將需要的動態鏈接庫添加，然后使用命令將類導入到程序中，調用包含參數就可以訪問數據庫。讀取數據集時，在出現故障時返回，不會影響整體性能。需要先創建一個對象，將套接綁定到端口，如果接收到數據，調用回調進行數據包處理，以釋放空間和計算資源。

4.5 粉塵監測

許多微課僅僅是課堂實錄，甚至在播放過程中出現畫面模糊、晃動的問題。所以在制作上，教學者要注意視頻的清晰程度，注重畫面的交互及重點內容的突出，將與內容相關的圖解或表格快速、直觀地呈現在學習者面前，使課程簡潔有趣，促進學生自主學習，達到真正的效果[3]。

溫濕度監測對環境條件有直接的影響，影響人員的安全和生產力。溫度表示人員在空氣中感受到的溫暖，具有不同熱源的礦山是氧化礦物、地下采礦、照明、采礦設備、鉆孔、切割、爆破產生的熱量。濕度是指水分含量，分為相對濕度和絕對濕度。相對濕度衡量空氣中的水分含量，表示水分含量對于空氣的防潮性。在線監測系統，使用光纖設備監測溫度。氣壓的變化對礦井易燃氣體的密度有著影響，氣壓的降低通常會導致氣體體積的增加，氣壓對井眼或井眼氣體具有相反的影響。氣壓降低會導致有毒氣體從封閉的礦井開口釋放，造成爆炸的風險。為此，對氣壓的持續監測是為提供安全的環境的必要條件。監測地下通風氣流和壓力變化，氣流監測系統是通過傳感器和通風建模連接來實現

。

4.6 礦井火災監測

火災是礦山井下生產安全的主要災害之一，威脅著開采作業的正常進行，并且對生產人員將造成重大的傷害，排放有毒氣體并對環境產生影響。在井下火災是由明火、礦物自燃、焊接、爆破等引起的。對礦物自燃進行監測是預防火災隱患的措施。紅外傳感研究由紅外傳感器和熱電偶協調，以收集和評估數據。根據監測數據，根據實際情況采用不同的指標來檢測自燃。

5 系統功能分析及總體框架

5.1 系統功能分析

坍塌是采礦中易發生的災害之一。坍塌的原因是山體滑坡和突然倒塌。風險分析用于評估與倒塌相關的風險。分析在一定時間內倒塌的概率，井下工人的輻照用作估計倒塌風險的參數。傳感器網絡用于預測頂板墜落。應用無線傳感器網絡系統，通過將傳感器適當地放置在墻壁上以創建傳感器節點網絡來實現。傳感器網絡使用通信機制來利用無線，有助于減少信標擁塞。無線網絡控制系統檢測滑坡的位置，并根據坍塌結構變化自動調整。基于傳感器節點連通性的塌陷檢測系統，使用模型來分析坑塌陷檢測準確性。基于鏈路的檢測方法比其他更適合檢測坍塌風險。

針對井下環境監測實施要求，井下監測系統可以對環境監測和遠程傳輸，在互聯網上提供監測參數信息。還必須處理特定的事故，實現實時的場所事故管理。通過電腦、手機設備將井下作業環境參數數據傳輸到互聯網遠程監控，已成為提高開采安全的重要措施。

5.2 系統總體框架設計

開發井下環境監測系統將采集到的環境參數傳輸到互聯網平臺，以便人員實時監測井下環境。開發探測節點根據配置傳感器功能分為預警節點、數據采集和應急處理。監測預警主要監測溫度、濕度和氣體。數據采集實現工作區監控和操作監控

。應急處理用于信號燈、呼叫、水泵和氣泵等。數據采集主要實現網絡創建、數據傳輸以及與信息交互；數據采集與網關通信通道可以通過串口、以太網實現，通道選擇考慮數據采集與Wi-Fi的實際位置和距離。串口作為數據采集節點和網關之間的通道。網關通過路由與平臺建立數據連接，實現數據向互聯網平臺的傳輸。專業人員利用智能終端接入平臺參數，實現井下環境參數遠程監控。系統為數據采集節點、感知節點和網關開發硬件和軟件。開發基于數據融合的協議轉換，系統的測試旨在實現對井下環境的監控，發揮遠程監控功能和重要性。

5.3 應急響應機制

基于無線傳感器網絡的井下監控在識別活動區域發生的危險，并開發應急機制，以提高安全性。設計原理是根據環境檢測采集的參數來判斷危險是否超過閾值，操作相應的報警器和設備。應急響應機制分為自主處理和遠程控制。數據采集節點有自主運行的軟件開發，功能是監測區域內的氣體濃度、濕度因素，判斷是否有中毒、爆炸、滲水發生。當傳感器檢測到環境超過閾值時，數據采集節點會向外圍探測發送告警信息，啟動告警、部分設備關機、斷電等機制，并關閉某些電源。自主處理是監控專業人員根據采集到的參數進行人工預報和遠程控制區域應急處理機制在實施中可以提高礦山井下作業安全性，具有相當的實用性。應急機制可實際運行的設備和作業情況進行配置。溫濕度傳感器監測環境參數，當監控區域的超過26℃時，會發出超溫信號并打開風扇。安全規程明確規定，井下溫度不得超過26℃。過高的溫度會使人員無法專心工作，不利于安全生產，過高的溫度是火災的先兆。當溫度觸發時，系統自動開啟冷卻風扇，現場人員立即尋找原因，確認是否過熱。如果不是火災的發生情況，可以繼續工作。如果是這樣，需要及時警報將為人員逃生提供時間。當區域的濕度超過50%時，發出濕度過高的信號并控制水泵自動啟動。礦井內濕度不得超過50%。高濕度是事故最明顯的預測因素。如果滲水事故導致濕度超過極限，安裝的水袋起到蓄水的作用，打開水泵讓現場人員有更多的逃生。井下內有很多嚴禁人員行走的場所，如長期在設備附近。不管是有意還是無意，會有人在不該出現的地方，是非常危險的。人體紅外跟蹤功能，在受控場所檢測到人員，立即報警，提醒人員場所為禁區，降低發生事故的幾率。礦山井下安全明確規定，靠近礦井出口和人行道必須提供完整的可靠照明。電燈有使用壽命，設備可能會出現故障。因此，系統的光敏監控會在燈光熄滅時警報，提醒人員發現問題。如果燈泡損壞，需要及時更換燈泡。如果設備故障，檢查并維修設備，確保系統安全運行。礦井中瓦斯需要嚴格控制，為滿足這一要求，實現井下作業的安全生產，設置超限百分之一的濃度，并連接下風機。當超限報警時，系統控制風機和氣泵開啟。風扇增加通風，將氣體吹出，防止發生氣體的積聚。

維吾爾族舞段中有大量的男子與女子群舞的切換，在秉承傳統用色調區分舞段的前提下，運用了許多顏色分區將整個表演區豐富起來，例如在女子群舞中先用粉紅色刻畫場景和舞段情緒，當男子從下場門上場以后，將下場門區域用電腦染色燈以及大角度LED帕燈照射虛化光斑并做相應的轉換色調處理，就呈現出女粉紅男淺藍的左右分割畫面，在舞段的進行中，還出現了類似于斗舞的斜分區場景，通過電腦燈的靈活性，又將左右分割的畫面變成了斜線分割的畫面，并且因為電腦染色燈與大角度LED帕燈的運用，舞臺表演區上空也有肉眼可見的顏色斜分區畫面，這樣便使整個場景更加飽滿也更加生動形象，不再單一地只是做到“換一組人跳，換一種色調”的簡單處理。

6 結語

綜上所述，無線傳感器網絡用于監測井下環境參數，在監測溫度、粉塵、火災、爆炸和倒塌等方面應用需要進一步擴展。為了提高監測效率和有效性，將井下的風險降到最低，應重視無線傳感器網絡的有效利用。針對當前井下需求，分析了環境監測現狀和發展趨勢，結合無線傳感器網絡監測系統的發展。應用各種無線通信技術，網絡傳輸實現了環境參數監控。基于無線網絡的礦井下環境監測系統和各線路關鍵設計，開發數據采集節點、環境感知數據的開發和實現。結合井下環境監測，順應無線網絡發展趨勢，應用井下環境監測總體結構和通信。基于無線傳感器網絡設計采集參數，通過網關傳輸到平臺，使專業人員使用智能終端通過平臺遠程監控環境參數。實現了節點設計、數據采集和Wi-Fi網關設計，以及環境監測系統設計。據采集節點通信開發及協議轉換，完成環境監測系統通道的功能，包括網絡通信轉換。實現平臺的連通性和數據集成，以及遠程監控的整體功能。基于對傳感器網絡技術的研究，針對環境監測需求，應用網絡監測系統，結合數據技術的優點，實現遠程監控，利用互聯網平臺，獲得井下環境參數和應急服務。

[1]張紀堂,顧新宇,史俊文,左翠彬,王善培,代傳鵬,李繼明,許傳諾,陳坤,程學珍.基于無線傳感器的煤礦井下環境參數監測系統設計[J].科學技術創新,2021(02):111-112.

[2]王志秦.基于低功耗無線傳感器網絡的煤礦井下環境監測系統設計[J].煤礦機械,2015,36(03):226-228.