矿井安全救灾的传感器网络系统

1、矿井安全救灾的传感器网络系统【摘要】：近几年,矿难屡屡发生,让众多的遇难者家属陷入无尽的悲痛之中,也让政府的处境极为尴尬,由此引发了很多社会问题,严重制约了经济的进一步发展。所以对于矿井安全救灾方面的研究成为现今一个重要的课题。目前煤矿的安全监测系统不能从根本上满足井下特殊作业环境，其原因是由于井下监控存在大量监控死角，有线网络接入不灵活且发生故障时难以处理。无线传感器网络在煤矿安全监控系统中的应用属于新兴技术应用，本文主要介绍了矿井安全监控的传感器网络的主要技术，以及在此技术上部署的传感器网络的典型方案。而后摆出了一个矿井施工点的安全监测传感器网络的设计实例。其中包括传感器在矿井内的网络结构

2、，井下临时施工点自组织通信协议需要实现的功能以及传感器节点的硬件设计。全方位介绍了无线传感器网络如何解决矿井临时施工点的网络监控问题以及其技术实现。【关键词】：矿井安全、监控、无线传感器网络、通信协议、节点、网络结构【Abstract】：In recent years, the mine disasters occur repeatedly, many of the families of the victims get into endless sorrow , and also lets the government situation be extremely awkward, from

3、 which has caused a lot of social problems, restricted the economical further development seriously. So for the mine safety relief research now a very important issue .At present the coal mine safety monitoring system cannot fundamentally satisfy the mine shaft special work environment, The reason f

4、or this is because there are many underground monitoring surveillance blind Angles, Cable network access not flexible and is at fault handle hard.The wireless sensor network belonged to the emerging technical application in the coal mine safety supervisory system application, this article mainly int

5、roduced the mine safety monitoring sensor network technology, as well as the sensor network typical plan which deployed in this technology.But after exhibiting a mine pit construction safe monitor sensor network design example.In which including the sensor in mine pit network architecture, the mine

6、shaft temporary construction the function as well as the sensor node hardware design which needs to realize from the organization communication protocol.Omni-directional introduced how the wireless sensor network solve the mine pit temporary construction network monitor and control problem as well a

7、s its technical realization.问题背景与应用意义我国煤矿生产主要是井工开采，井下生产工序多，作业地点分散，人员流动性大，工作环境恶劣。尽管井下安全监控系统的应用已经比较普及，在保障煤矿安全生产中发挥着重要作用，煤矿安全监控系统主要以有线方式实现参数检测与信息传输任务。目前，矿井安全监控方面存在以下问题：井下监控点数量有限，重点区域存在大量监控死角；传感器接入不灵活、无法实现快速跟进等固有缺陷，已成为煤矿井下安全监控信息采集和传输的瓶颈；另外，一旦有线网络发生故障或遭到破坏，整个系统完全瘫痪，难以满足安全监控及时通信的需求。因此，煤矿井下安全监控系统迫切需要一种结构灵活

8、、适应性强、布设快捷、信息传输可靠的安全通信网络技术。随着传感技术、MEMS技术、无线通信技术、分布式信息处理等技术的发展，无线传感器网络技术为解决井下煤矿安全监控问题提供了有效的技术手段和途径。无线传感器的快速发展、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点使其成为井下无线通信网络的理想选择，尤其是多跳路由的信息传输方式可克服因巷道弯曲、倾斜等造成的无线信号严重损耗问题。因此，将无线传感网络技术引入井下煤矿安全监控系统，实现移动目标的定位、跟踪和通信，以及环境参数的移动检测，全面提升矿井安全生产效率和防灾、抗灾、救灾的能力是当前煤矿安全生产一项十分紧迫的课题，具有重要的现实意义。研究表明，传感器网络可

9、用于危险工作环境的监测，在煤矿、石油钻井、核电厂和组装线工作的员工将可以得到随时监控。传感器网络可以告诉工作现场有哪些员工、在做什么以及安全保障等重要信息。长期以来，我国煤矿、石化、冶金行业对工作人员安全、易燃、易爆、有毒物质的监测的成本一直居高不下，无线传感器网络把部分操作人员从高危环境中解脱出来的同时，也提高了险情通报的反应精度和速度。目前，国内外已投入使用的井下安全监控无线传感与通信系统主要集中在以下几个方面：（1） 对人员和设备的位置监控。（2） 应急救灾通信（3） 调度和通信这些系统为无线通信技术在井下的应用奠定了良好的基础，在一定程度上提高了煤矿井下安全监控与通信能力，但在实际应用

10、中仍存在以下不足：（1）所有以有线网络为骨干的通信系统，在矿难发生之后一旦有线网络通信中断，受困人员无法与指挥中心取得联系，致使定位、跟踪与通信的功能失效。（2）应急救援通信系统仅在地面指挥中心井下指挥中心救援队员之间进行展开，没有包括最需要通信的被困人员，他们无法与外界沟通，外界也无法得知他们的位置和所处的环境状况。（3）系统功能单一，没有实现多种功能的有机结合，无法充分发挥井下无线通信的优点。矿井安全监控的传感器网络主要技术鉴于煤矿井下安全监控无线传感与通信技术的发展现状，考虑目前煤矿井下安全监控中急需解决的问题，综合煤矿井下安全监控无线传感的井下动态信息采集、处理与传输模式、自组织通信协

11、议、井下采掘面及采空区和临时施工点等传感器网络应用的典型方案等关键技术，可以建立和实现安全可靠的复用型煤矿井下安全监控无线传感器网络系统。在正常情况下无线传感器节点作为安全监控系统的移动信息采集源，实现环境参数无死角采集、快速处理和传输，移动目标定位、跟踪、任务分配和协调控制。在矿难情况下或井下有线通信网络遭到破坏后，无线传感器节点应该能够通过自组织形成无线应急通信网络，保证井下信息及时准确地采集与安全可靠地传输。 矿井传感器网络的信息检测、处理和传输煤矿井下开采地域广阔，如果仅采用局部的无线传感器网络，而没有一个高可靠的主干传输网支撑，则井下安全监控信息无法及时传到地面调度指挥中心。目前国内

12、广泛使用的各种监控系统基本是在工业以太网现场总线网络上挂接测控分站，实现对地面和井下参数采集和设备控制。从经济、适用角度出发，应该在现有安全监控系统的基础上实现无线传感器功能，现行监控系统网络承担井下信息传输主干网的任务，在井下以一定的间隔布置带有两种网络接口的无线接入点，如同普通测控分站一样，以有线的方式融入监控系统网络，另一方面它们可以与移动无线传感器节点交换信息。在监控系统正常运行情况下，井下形成多个以无线接入点为中心的局部无线传感器网络，这样就存在唯一的中心控制点，并且是单跳通信，因此，可采用成熟的主从式无线网络控制协议，正常情况下井下人员和设备佩戴的无线传感器节点起到移动信息源功能，

13、整个系统结构如下所示。矿难事故发生或者井下通信网络遭到破坏之后，井下传感器节点通过对无线信道的侦听时如果发现有线网络通信中断，立即启动自组织协议，形成无线应急通信网络，处理过程如下所示：前一图所示为如果有线网络出现故障，则无线传感器节点自组织形成临时信息采集、传输及应急通信网。后一图所以为如果矿难事故发生、有线网络被破坏，则无线传感器节点自组织形成应急救援通信网络。当然，在大多数情况下，井下会形成几个相互隔离的网络，通常不会是一个整体。这种自组织应急通信网络能实现以下功能。（1）孤岛网络内实现被困人员之间信息交流，使得局部网络内人员能了解该区域环境条件较好的位置，并向该位置撤退。（2）救援人员

14、利用无线电信号搜索被困人员和人群，已经遇难矿工佩戴的无线传感器节点既可进行信息中继，也可以帮助搜寻遇难矿工的遗体。（3）救援指挥中心通过无线应急网络可以及时掌握井下环境参数和人员分布情况，快速作出正确的抢险和营救决策，及时通知井下被困人员。为了满足以上的功能要求，传感器节点需要包括下列功能组件。（1）便携式环境参数检测与局部信息融合。主要是检测有害气体浓度、氧气浓度和温度等。移动节点实现井下环境参数的无死角检测，利用多传感器信息融合获得更高检测精度和数据压缩率，及时发现测量误差较大的传感器。（2）移动目标定位。借鉴RFID的思想实现移动目标的定位和跟踪，定位精度取决于无线接入点的分布密度和无线

15、传感器节点的射频通信距离。（3）无线寻呼。利用有线骨干网络+无线接入点+无线传感器节点的网络体系结构，实现对任何移动目标的无线寻呼、任务分配和协调控制。 （4）无线对讲。利用先进的语音处理技术，将声音信号数字化、压缩之后，利用无线信道进行传输。 （5）人机接口。考虑到井下工作的实际情况，无线传感器节点的操作应简单、直观，尽量减少用户的干预。考虑到网络带宽、节点造价、体积和功耗等因素，上述功能采用模块化设计，通过搭积木形式，为不同类型的人员提供相应的功能组合。同时，无线传感器节点满足低功耗、高度稳定和高安全性的要求，采用微功耗、紧凑型、高集成度器件来缩小节点体积。选用本质安全型防爆组件，通过可靠

16、的保护电路和外形结构设计，解决可能发生的电火花和热效应等安全问题。 矿井传感器网络的自组织通信协议自组织通信协议是实现复用型、智能化煤矿井下安全监控的核心，主要涉及物理层（PHY）、数据链路层（DLL）、网络层（NWK）和应用层（APL）等。l 物理层煤矿井下无线通信实质上是借用巷道的纵向导体作为波导，电波在巷道中传播呈现导波特性。理论研究和实验均表明，利用900MHz3000MHz这一频段可以实现井下径向无线通信。井下无线传感器网络的物理层设计主要通过理论分析和现场测量的方法，根据井下复杂环境和地质条件对无线传感器网络信号传输的影响，建立井下无线信号传播模型；选择电磁干扰和煤岩壁吸收相对较小

17、的无线频段及信道编码方式；实现低成本、低功耗、多功能集成化的传感器节点设计；满足煤矿井下高温、高湿、高尘、高电磁干扰和爆炸性生产环境的工作要求。l 数据链路层井下应急通信网络的拓扑结构通常表现为树枝状，这种网络内节点的位置会频繁发生变化，因而不能仅应用基于预约的媒体访问控制协议，而应综合考虑网络时延、功耗、吞吐量等因素，采用基于预约的MAC协议与基于竞争的MAC协议相结合，兼顾适当的差错控制机制。应急通信网络的载波侦听多路访问还可以进一步引入节能和适应节点快速移动的措施，如无线信道周期性监听、反馈控制数据发送速率等。l 网络层井下无线网络需要为动态拓扑网络提供可靠的路由选择，而应急通信网络属于

18、局部线形、全局树杈形拓扑结构，不同于目前无线传感器网络架构，必须综合考虑能耗、带宽、公平性等多种因素，设计适合无线应急通信网络特点的网络层协议。另外，由于这样的应急网络路由跳数可能很多，应尽量避免维护庞大、多变的路由表，因而可以改进传统的洪泛协议思想，避免网络控制信息和数据信息泛滥问题。l 应用层井下无线传感器必须根据煤矿井下的特殊环境确定传感器网络在井下的应用模式和展开方式，针对井下不同应用指出对传感器网络性能指标的要求。由于具体矿井的位置结构、安全功能要求和具体指标参数会有所不同，因而需要结合具体系统设计进行详细分析，并根据用户提出的各种需求进行功能设计。煤矿井下部署传感器网络的典型方案煤

19、矿井下采掘工作面、采空区和特殊作业环境下的临时施工点，是煤矿井下安全监控的重点，也是事故多发场所。由于这些地点安全信息的有效监控更依赖于传感器节点的快速布防和动态检测，因而这些地点的有效监控也是目前煤矿安全监控系统的薄弱环节。下面重点以煤矿井下采掘工作面、采空区和特殊作业环境的临时施工点架设网络系统为例，阐述煤矿井下部署传感器网络的应用方案及其实现技术。传感器网络在这些地点的典型应用方案如下图所示。针对无线传感器网络的特点和具体应用环境，实际部署中还需要重点考虑以下几个很实用化的问题。（1）煤矿井下尤其是工作面等处，大功率机电设备多，起停状态转换频繁，电磁环境复杂，而无线传感器网络节点能量低、

20、易受干扰，通过理论分析和现场测量的方法，选择电磁干扰和煤壁吸收相对较小的工作频段和合适的信道编码技术，以提高系统的可靠性。（2）无线传感器网络在煤矿安全监控系统中的应用属于新兴技术应用，需要结合煤矿安全生产的实际，明确在井下的应用场合和展开形式，详细分析利用无线传感器网络构建应急通信系统的可能性，这种做法在实际中可能会非常重要。（3）随着煤矿开拓和掘进的进行，传感器的布置和网络范围也不断变化，有些传感器被回收或者随着能量的耗尽而退出网络，同时又有新节点不断加入，因而高效的自组织算法和传输协议可以有效地保障网络的动态重组。（4）低成本、低功耗节点设计是部署工作面监测传感器网络的前提。随着开采过程

21、的持续进行，初期部署的网络系统可能会转变为对煤矿采空区长期监测的系统，一般不能再回收利用，因而无线传感器必须做到低成本、低功耗。（5）网络节点包括多种传感器功能、瓦斯探测、声光电气热探测等传感器探头，必须防爆、防潮，符合煤矿井下电气设备通用要求，否则研制出来的系统不宜在井下部署和使用。矿井施工点的安全监测传感器网络设计实例目前的煤矿安全监测系统不能从根本上满足井下特殊作业环境。例如，采掘面的大型机械设备的移动、主要设备的现场检修等临时施工点，不能满足和适应传感器节点的快速布防和对安全监控信息的动态检测与实时传输的要求。目前，大多使用的便携式检测装置，也只能完成小范围的测量，不能形成大范围的监控

22、和检测信息的实时传输，致使井下临时施工点成为煤矿井下安全隐患主要场所之一。针对矿井临时施工点的网络监控问题，这里以此作为应用实例，对设计细节和技术实施过程进行详细剖析。实际矿井网络结构井下临时施工点传感器网络可以采用典型的星型拓扑结构，网络架构如图所示。图中信宿节点放置于井下临时施工点的安全监测区域中心，无线传感器节点则均匀放置在监测区域，信宿节点中配置液晶显示模块、超限声光报警装置、无线通信模块、键盘和存储模块，无线传感器节点配备有无线通信模块和瓦斯检测设备，信宿节点由收发天线经无线射频通信链路与多个无线传感器节点电连接，从而构建煤矿井下临时施工点的安全监测无线网络体系结构。当在临时施工点放

23、置好信宿节点和无线传感器节点之后，打开所有节点的电源开关，信宿节点和无线传感器节点迅速自组织成无检测死角的无线监测网络。这种无线网络架构系统的组成结构简单，可快速布设和组网，也可在多个施工点重复使用，关键是具有功能复用性的信宿节点，它可以使得构建的井下网络具有很强的实用性。通常情况下信宿节点用作监视器，内置的显示模块实时显示各个无线传感器节点的工作情况。如果发现某个无线传感器节点失效，信宿节点的显示模块就显示失效节点的标识号，然后工作人员可及时更换或检修失效节点，保证了井下临时施工点监测区域能够不存在检测死角。当矿井中有异常情况发生时，信宿节点又可作为报警器使用，内置的报警装置可及时报警异常情

24、况，一旦信宿节点收到无线传感器节点采集的瓦斯浓度超出设定的安全界限时，报警装置能立即报警，工作人员可及时撤离或采取有效的安全自救措施。报警装置的报警上限可以自行设定，可以在不同的施工点视具体情况设定不同的安全界限。另外，信宿节点内置的存储模块存储了从无线传感器节点收集到的数据，当临时施工点结束工作后，通过USB接口把数据输入计算机，从而可以查看临时施工点周围环境的瓦斯浓度，分析瓦斯动态变化的特征，找出潜在的安全隐患。网络通信协议的设计井下临时施工点自组织通信协议主要实现物理层、数据链路层、网络层，应用层的实现主要考虑具体的井下临时施工环境。1. 物理层主要负责感知数据的信息采集，即临时施工点周

25、围环境参数的检测，并对收集的数据进行抽样，包括信号的调制解调、发送和接收等任务。建议该网络采用无线电波载波媒体，工作频段为430Hz/868Hz/915MHz。2. 数据链路层负责媒体访问控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要由媒体访问控制MAC组成。系统采用基于预先规定的媒体访问控制协议，首先由信宿节点向各个无线传感器节点发送一个开始指令，无线传感器节点侦听到指令信息，转为接收状态。各个无线传感器节点收到来自信宿节点的开始指令后，由接收状态转为发送状态，并按ID2ms（ID为各个节点的标识号）时间间隔逐个向信宿节点发送数据，这样能避免信道中发生竞争冲突，造成数据包的丢失。3. 网络层主要任务

26、是发现和维护路由，该网络采用按需路由协议，即采用“路由请求/路由应答”机制来建立路由。当节点需要去往某个未知目的节点的路由时，广播一个“路由请求”分组至源节点的所有邻居。“路由请求”分组包含有“广播标识”（Broadcast ID），保证每次广播被唯一标识，也能够避免被其他节点多次转发。如果在邻居节点中未发现目的节点，邻居节点就转发该“路由请求”分组，直到“路由请求”分组到达目的节点或是到达知道去往目的节点路由的中间节点；当“路由请求”分组到达目的节点或是知道去往目的节点路由的中间节点时，沿反向路由发送“路由应答”分组。该路由协议不仅可以实现邻居节点间的单跳路由，也可以实现经多个中间节点转发的多跳路由。传感器节点的硬件设计无线传感器节点的电路结构方框图如下图所示。从该电路结构图可以看出，如果打开电池和电源开关，甲烷浓度传感器和温度传感器则分别从井下临时施工点周围环境采集瓦斯浓度和温度。从这两种传感器输出的数据输入到信号调理电路，信号调理电路进行预