基于无线传感网络的煤矿井下安全预警系统设计

【摘要】煤矿井内的安全在很大程度上都受到瓦斯这样的可燃气体的威胁。所以非常有必要为矿井设计一个安全预警系统，来保障井下工作人员的人身安全。

【关键词】无线;传感器;预警;安全

我国有近二十万的煤矿，遍布了十几个省市。这些煤矿每年都生产出数亿吨的煤炭，为我国的国民生产总值做出了很大的贡献。但是，最近十几年来，有很多的煤矿发生了瓦斯爆炸的事故，这些事故的发生，不但对于煤矿本身造成了很大的破坏，导致煤矿不得不停产，更可怕的是这些瓦斯爆炸事故会随时威胁到煤矿井下工作人员的安全和生命。所以对于煤炭生产过程中要设置相应的安全预警系统，对煤矿的安全生产随时进行监控，一旦发生相应的安全隐患，就通过安全预警系统进行报警。本文阐述了基于无线传感网络的煤矿井下安全预警系统。该系统能通过无线传感网络对煤矿的井下安全进行监控。希望既能实现远程监控，又能降低开发成本，便于日后的升级和维护。

1.传统煤矿安全预警系统的缺陷

在煤矿的日常生产中，安全预警系统是必不可缺的，它起到了保障煤矿安全生产的作用。在煤矿安全预警系统中应用了很多不同类型的措施。但是这些传统的安全预警系统相对无线传感网络的安全预警系统存在一些明显的缺陷，主要有如下几点：

（1）传统的安全预警系统中往往需要设置很多的网络节点，这样就需要设置数目庞大的地址，这对于设计者来讲，工作量是巨大的;

（2）传统的安全预警系统的网络元器件种类繁多，电缆数目多，这样安全预警系统的维护量也很繁重;

（3）传统的安全预警系统使用整个网络带宽来进行安全信息的传输，这样就会造成通信带宽的严重浪费;

（4）传统的安全预警系统一般都采用单一的模式，这样就无法满足煤矿多种节点存在的不同模式的需求;

（5）传统的安全预警系统一般都需要主机来参与节点进行仲裁和协调。

2.煤矿井下安全预警系统总体设计

本文首先对煤矿安全预警系统的总体结构进行设计，具体的结构如图1所示。通过图1，可以看出安全预警系统的总体结构主要由传感器、Web服务器和控制器三部分组成。其中总体结构的核心是Web服务器。系统的浏览器需要和Web服务器进行通信，通信遵照的是TCP/IP协议。Web服务器还需要和控制器之间进行通信，对煤矿的安全情况进行监测并进行预警。他们之间的通信是由传感器来负责完成的。这样就通过这些设备和相关的软件协议形成了一个完整的安全预警系统的总体结构。

传感器在总体结构中的作用也非常重要，它主要负责对煤矿的安全境况进行监测，然后将监测的结果传回给Web服务器，并最终由Web服务器通过TCP/IP 协议将结果传递到浏览器，展现给最终的终端用户。控制器的作用是通过Web服务器发送的对煤矿内的安全情况来启动相应的安全措施。

下面分析一下，煤矿井下安全预警系统如何形成网络结构。系统中有若干个Web服务器，每个服务器就是一个网络中的节点，Web服务器都有自己的IP地址，它通过光纤连入网络后，系统就可以凭借多个Web服务器的IP地址对服务器进行访问，进而监控该服务器下的煤矿井下安全情况。

这样形成的只是局域网，如果要通过Internet对Web服务器进行访问，还需要通过ADSL专线等方式来接入互联网。这样就能实现在互联网范围内对煤矿井下安全预警系统进行访问，但是这样做的成本较高。一个较好的解决方案是通过网关来连接局域网外部。这样，就能实现局域网和Internet的隔离，提供系统的安全性，又能降低成本。同时，这样做的好处是，无论用户是在什么物理位置，都可以通过浏览器，通过特别的身份验证，来访问煤矿井下安全预警系统的信息，而不需要再通过建立专线的方式。

图1 基于无线传感网络的煤矿井下安全预警系统总体结构图

3.系统主要硬件设计

基于无线传感网络能够井下安全预警系统的主要硬件部件是：无线传感器、CPU、据通信模块、数据处理模块和电源组成。下面就对每个主要硬件模块的设计原理。

3.1 无线传感器

在选择无线传感器上要考虑无线传感器的价格、提议和能耗等很多方面的问题。通过综合分析，本文选择使用KGS-20这种型号的无线传感器，该无线传感器属于低功耗的。该无线传感器的基本材料是二氧化锡，是半导体型气体传感器的类型。该传感器的作用是用来检测可燃气体浓度的检测，用在煤矿内进行安全预警系统的设计是非常合适的。另外，该无线传感器的使用较为简单，而且体积小，对可燃气体的浓度变化响应时间非常快，不超过20s，复位时间小于等于30s，该无线传感器对于工作温度和湿度要求都不高，非常适合井下的环境。该无线传感器是低功耗的，静态功耗为150mW，产生预警报警时的功耗也仅为300mW。该无线传感器是用的直流电源的方式供电，需要设定的电压范围在3～5V之间。

3.2 数据通信模块

在安全预警系统中，数据通信模块是起到了连接和通信的作用。主要负责系统中的主要节点的通信、控制信号交换和数据信息传输。因为系统使用的主要是无线通信，在设计数据通信模块时最主要的就是要如何降低系统的能量耗损。所以在设计数据通信模块时，需要考虑的是选择的数据通信芯片的发射功率、数据率、调制模式等问题。通过综合考虑，本文选择了NORDIC 公司的nRF2401芯片作为煤矿井下安全预警系统的主要的数据通信的节点芯片。

nRF2401的成本较低，它属于射频系统级芯片。它的功耗小、外围元件少、体积小。nRF2401的工作频段是2.4～2.5GHz的，符合通信协议ZigBee的要求。nRF2401有较强的抗干扰能力，如果需要在通信模块使用跳频技术，nRF2401可以通过降低发射功率的方式来减少能耗。nRF2401还能实现对数据信号的打包、调制和编码，能偶实现较强的数据信号的处理。nRF2401芯片的数据通信方式就是通过将数据转换为RF 信号，然后通过I/O匹配电路将转换完成的RF信号送入天线，这样就完成了数据信号的发送。

3.3 数据处理模块

数据处理模块是煤矿井下安全预警系统的核心模块，该系统几乎所有的工作都需要数据处理模块的支持，例如：任务调度、信息控制、通信、数据传输和共享等。所以，首先要为数据处理模块选择一个合适的处理器，在本文中，本文选择使用了AT-mega128L作为数据处理模块的处理器。ATmega128L的处理器的主要部件是32个通用工作寄存器、128K 字节的可编程Flash、4K字节的EEPROM、53个通用I/O口线、4K字节的 SRAM、8通道10位ADC、实时时钟RTC、SPI串行端口、2个USART、可编程看门狗定时器、JTAG 测试接口。在数据处理模块中有一个核心装置就是数据处理模块的控制芯片，该芯片的主要作用就是负责协调整个数据处理模块的各个部件的协调工作。该控制芯片还能通过I/O接口来获取当前的传感器输出的电压值来感知矿井周围的瓦斯浓度，如果浓度超标，就通过无线传感器传输的终端进行报警。

3.4 电源模块

煤矿井下安全预警系统若想正常的工作，就必须有电源的支持，所以电源对于系统来讲非常重要，是系统的所有硬件设备能正常工作的最基本保障。因此，电源模块的设计是非常重要的。因为我们在系统中使用的无线传感器是低功耗的，所以如果无线传感器是出于空闲状态，就可以直接利用未处理的I/O直接驱动，这时就不需要额外的电源在支持了，进一步降低了能量的耗损。

但是，在无线传感器处于工作状态时，就必须使用外接电源了。电源的选择一定要慎重，因为电源的寿命直接决定了无线传感网络的寿命。所以，对于整个硬件系统来讲，电源是最为珍贵的资源，选择良好的电源模块对整个网络而言至关重要。因为本文选择的无线传感器的体积较小，所以电源模块也相应的选择了微型电池。本文选择是的CR2032 纽扣电池，该型号的纽扣电池的工作输出电压为2～3V，它能提供大约200mAh的电流量。CR2032的放电是较为平稳的，所以它的使用寿命较长，比较适合使用在我们本文设计的安全预警系统中。

4.系统主要软件设计

矿井安全预警系统想要正常工作，只有硬件是不行的，还需要进行相应的软件设计才行。本文就对每个无线传感器节点的软件设计和监控的软件设计进行分析。

4.1 节点软件设计

本文设计的无线传感器节点的主要作用就是对矿井下的安全情况进行检测，主要是矿井内的可燃气体的浓度进行检测。需要将采集到的可燃气体的信息情况通过数据通信模块上传到监控中心，所以无线传感器节点的设计是整个无线传感网络的核心内容。无线传感器节点的工作模式主要有：睡眠模式、工作模式和唤醒模式。无线传感器节点的工作程序流程如图2所示。

图2 无线传感器节点软件工作流程

从图2可以看出，传感器节点开始工作后，先对节点进行初始化，然后传感器节点就进入低功耗的睡眠模式，也就是说现在的微处理器是出于空闲状态的。但是系统的SPI端口和终端系统却不会空闲，它们随时会接收系统发送的中断请求。数据的采集时间是一定的，如果时间到了就将采集到的数据发送，这时传感器节点就进入了工作模式。将采集到的数据发送到监控中心，完成相应的数据传送后，无线传感器节点就重新回到低功耗的睡眠模式。无线传感器节点就在该工作流程下进行循环反复，来保障矿井下的安全。

4.2 监控软件设计

除了无线传感器节点的软件工作流程设计外，系统最主要的软件设计就是监控部分的软件设计。监控部分的软件设计主要是通过Visual Studio C++下的MFC框架来进行设计并开发完成的。监控系统的主要责任是对井下无线传感器采集的数据进行显示、分析和保存。如果井下可燃气体的浓度超过了设定的浓度，监控系统将发出预警信息，并相应的采取有效的措施降低矿井内可燃气体的浓度。

5.小结

本文设计了一个基于无线传感网络的矿井下安全预警系统。主要对系统进行了总的架构的设计、主要硬件结构的设计和主要软件的设计。通过本系统可以实现对矿井的可燃气体的检测，如果其浓度超过设定的标准，该系统就会向监控中心发送预警信号。系统如果能在矿井实施，将会对矿井的安全起到较强的保障作用。

参考文献

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作者简介：马丽洁（1976—），女，内蒙古电子信息职业技术学院副教授，研究方向：高等职业教育、嵌入式系统开发。