矿用无线传感器网络安全监测系统研究

董智勇, 张书钦, 董跃钧

(中原工学院 计算机学院，河南 郑州 450007)

国家统计局数据显示，我国煤矿百万吨死亡率(煤矿主要的安全考核指标)是美国的100倍、俄罗斯的10倍.国家煤矿安全监察局令第21号文件第6条规定：煤矿必须建立运行可靠的监测监控系统，必须装备运行可靠的矿井安全监控系统，系统和传感器的安装、使用、维修，必须符合《煤矿安全规程》规定的要求.因此，建立矿井安全监测系统以实现煤炭的安全生产与效益兼顾，已成为我国煤炭企业迫在眉睫的首要任务.

1 国内矿井监测系统发展现状及存在问题

1.1 国内矿井监测系统的发展现状

我国矿井在20世纪90年代引进了Senturion-600监控系统.同时，在“六五～十五规划”期间相继自行研制了KJ系列的监控系统以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统等[1]，但矿井监测系统的实际工作状态并不尽如人意.

1.2 国内矿井监测系统存在的问题

(1)基本采用有线通信的方式，布线难度大，一旦线路损坏，数据丢失，将无法满足实时测控的要求.

(2)网络扩展性差.矿井巷道复杂，肯定有难以铺设线缆的地方，导致网络无法扩展.

(3)传感器结点的数量少，容易导致监测盲区[2].

(4)通信线路维护成本高，一些煤矿边维护、边生产，甚至有些煤矿干脆不维护，严重影响了生产安全.

(5)定位困难.井下接收不到GPS的定位信息，传统的有线网络不具备定位功能，不能对井下的工作人员进行定位[3].

为了解决上述矿井安全监测方式的缺陷，我们设计了矿用无线传感器网络安全监测系统.

2 无线传感器网络监测系统设计

无线传感器网络是由部署在被监测区域内的大量的无线传感器结点组成的一个多跳的自组织系统，一般包含有无线协调器、无线路由器和无线传感器终端，它们可以实现协作地感知、采集和处理监测区域内被监测对象的信息，并将之层层转发给监测机.

2.1 系统结构设计

矿用无线传感器网络安全监测系统由监控管理子系统和无线传感器网络监测子系统组成，系统结构如图1所示.

图1 系统结构图 Fig.1 Architecture of the system

2.2 监控管理子系统

监控管理子系统主要由一台监控机(安装有监控软件)和一台数据库服务器组成.监控机主要负责通过Sink结点汇聚井下所有无线传感器终端采集的监控信息，并对之进行参数配置或发布操作指令；当被监测对象的监测值超过预设阀值时，进行对应图标的闪烁和声音报警；动态显示拓扑路由；将监控到的信息储存到数据库服务器中.数据库服务器主要负责存储监控的数据，并提供查询功能.

无线传感器网络监测子系统主要由一个Sink结点、若干个ZigBee协调器、 ZigBee主路由器、 ZigBee无线备用路由器以及ZigBee传感器结点等组成.

Sink结点主要负责实现无线传感器网络监测子系统和监控管理子系统之间的数据传输，功能相当于一个网关.

ZigBee协调器：固定在坑道内的固定支架上，主要负责组建、维护网络等工作.

主ZigBee路由器：固定在坑道内的固定支架上，主要负责转发来自于ZigBee协调器、ZigBee无线传感器与其他ZigBee路由器的数据.

备用ZigBee路由器：固定在坑道内的固定支架上，主要负责在主ZigBee路由器发生故障时及时代替主ZigBee路由器的工作.

ZigBee传感器：主要负责按监控中心发来的指令实时或定期地采集相关的监测信息，并将之转发给邻近的ZigBee路由器，然后由ZigBee路由器转发给某ZigBee协调器，最后由ZigBee协调器转发给监控中心.

3 系统主要功能的设计实现

3.1 系统功能设计

根据对辽宁某煤矿的实地调研，我们设计了“矿用无线传感器网络安全监测系统”，功能如图2所示.

图2 系统功能图Fig.2 Function of system

3.2 监测管理子系统主要功能的设计实现

3.2.1 参数设置模块设计

通过监控软件实现对各ZigBee结点的配置工作，主要包括设置信道、采集频率、各种监测数据的阀值等.

3.2.2 数据处理分析与统计模块的设计

采集来的各种监测数据必须经处理后，与阀值进行比对，如超过阀值，则进行设备对应图标的闪烁和声音报警等；对一定时间间隔内的数据进行统计，及时发现故障隐患.

3.2.3 拓扑显示模块

对井下的所有活动结点，每5 min更新一次拓扑，在拓扑图上能读出该移动无线设备的位置.

3.2.4 数据的存储、查询与维护模块

将采集到的各类监测数据定期存放到数据库服务器中，方便以后对历史数据进行查询.

3.3 无线传感器网络监测子系统的设计

3.3.1 数据采集与发送模块的设计

(1)硬件设计

数据采集与发送模块的功能由ZigBee传感器结点来完成.ZigBee传感器结点由无线传输模块(选用TI公司的CC2430)、数据处理模块(选用MSP430)和传感器模块(根据需要，可选用温湿度传感器、瓦斯浓度传感器等)组成.

(2)软件设计

ZigBee传感器模块上电初始化后，即不停地侦听信道，如收到睡眠指令，则进入睡眠状态，以保存电量，延长使用时间；由于MSP430支持中断唤醒，且比较器模块仍然工作，因此即使睡眠仍能感知被监测对象的状态变化；如有周期数据的采集命令，则按时序收集并上传数据，否则继续侦听信道.流程图如图3所示.

图3 数据采集发送模块流程图Fig.3 Flow chart of data collection and transmission based on ZigBee sensor

3.3.2 网络组建与维护模块的设计实现

(1)硬件设计

本模块由ZigBee协调器负责实现；ZigBee协调器除了不包含传感器模块外，其他和ZigBee传感器模块一样，只不过烧写了协调器的程序而已.

(2)软件设计

ZigBee协调器负责所在坑道的组网，允许结点加入或离开网络，完成成员身份管理、链路状态信息

管理以及分组转发，报告结点损坏信息等任务，其流程如图4所示.

图4 网络组建与维护模块流程图Fig.4 Flow chart of net built and maintained

4 结 论

系统经在辽宁某煤矿安装使用，运行稳定，通过监控机上的监控软件能很好地对井下各ZigBee结点进行有效的控制和信息收集，采集到的各种监测数据准确、可靠.

参考文献：

[1] 王凯，梁万用，胡智宏. 基于ZigBee的煤矿综合监控系统节点设计[J]. 现代电子技术，2010(17)：184-186.

[2] 邓作杰，谭小兰. 基于ZigBee技术的煤矿安全监控系统设计[J].煤矿机械，2010(8)：171-173.

[3] 张嘉怡，刘建文.ZigBee技术在煤矿安全监测中的应用[J].中国测控技术，2008(7)：122-125.