物联网技术与煤矿安全监测信息平台的融合

洪 飞

(长治市煤炭安全信息调度中心，山西 长治 046000)

0 引言

1999年，物联网首次由麻省理工学院的研究团队被提出。物联网的核心理念是通过独特的方式，将射频识别(RFID)标签、传感器、执行器、手机等各种各样的东西或物体相互作用、沟通，以实现共同的目标[1]。基于IP的无线技术已经给无线传感器网络(WSN)带来了长足的进步，这是一个多学科的前沿研究课题，包括数据传感和处理[2-4]。传感器网络在许多领域得到了广泛应用，许多系统设计，如节能、智能传感器网络目标跟踪，家庭自动化等等[5-7]。煤炭是重要的化石能源，与人们的日常生活息息相关，也为工农业生产提供主要能源[8-9]。为了矿工的安全，每个煤矿都要求安装监测系统。现场使用的有多种矿山安全监测系统[10]，但是，这些系统没有深入融合物联网技术和智能服务[11-12]。据统计，2018年我国因矿难死亡人数近2 500人，为了提高矿井安全水平，适应煤矿井下复杂的环境，需要根据供电的难易程度来设计传感器网络[13]。文中介绍了一种智能煤矿监控系统，由健全的无线传感器网络和高效的服务组成。

1 系统总体框架

本系统总体框架如图1所示。该系统由地面服务器系统和地下传感器网络组成。地下传感器网络由分支传感器网络和WSN组成，负责对各种数据的传感。地面服务器系统支持数据分析和智能服务。利用控制器区域网络(CAN)总线的虚拟传输稳定、易于部署的特点，构建了地下传感器网络的分支传感器网络。CAN总线是一种用于电子设备的多主广播串行总线标准。它有许多优点。例如低布线复杂性，容易添加或删除现有的CAN总线。

图1 系统整体架构

WSN基于ZigBee技术，采用多种传感方式构建。ZigBee技术是一套使用小型、低级别通信协议的高级通信协议规范数字接收器。具有数据速率低、电池寿命长、网络安全等特点。集成了无线网络自治协议和最优传输路径选择协议。ZigBee技术具有很强的抗噪声能力，缩短了无线网络的开发时间。在loT层框架的基础上，将系统分为4层。它们分别是应用层、服务器层、网络层和感知层。①各种系统服务。如安全监视器和矿机定位，都提供在应用菜单中；②服务器层包含服务器平台和数据服务器。服务器平台用于响应矿山管理者的请求，数据服务器的传感节点由数据存储模块和数据分析模块组成；③利用ZigBee技术和CAN总线构建传感网络。加入3G/GPRS技术，将建议的系统连接至互联网；④将各个感知节点部署在整个煤矿中，获取感知层中关于煤矿的实时数据。

2 地下传感器网络的设计

煤矿是一个环境复杂的地方，它由矿井和采场两部分组成。本部分旨在建立和维护一个由分支网络和传感器网络组成的传感器网络。

2.1 地下传感器网络

分支网络包括中心节点和检测节点。一个CAN总线通过集线器节点分散成多个CAN总线，以覆盖每个主干。每个节点都可以与分支网络中的其他节点自由通信。分支检测节点设计如图2所示。

图2 分支网络节点设计示意

支路检测节点由8051MCU、报警模块、传感器模块和电源管理模块组成。8051单片机。节点的核心负责对感知数据的分析和对节点的操作。传感程序完成后，数据传输到单片机。当数据超过安全基线时，单片机立即向报警模块发送报警信号。同时将报警信号和传感数据传输到系统服务器。否则，数据只存储在RAM中。为了提高服务器的实时性，降低CAN总线的压力，将所有的传感数据一次发送给服务器，经过几个传感周期。在传感方案中，位移传感器用于探测矿井主干的直径，以防止矿井主干的塌陷。通过粉尘浓度传感器、气体浓度传感器和温度传感器的配合检测，可以防止爆炸。电源管理模块通过交直流隔离开关为所有模块提供电源。就像笔记本电脑的电源管理一样，当AC电源无效时，选择DC电源立即为所有模块供电。一个1 000 mA的电池可以让整个节点运行超过5 h，所有节点的总功率低于600 mW和3 V电压。这对于突发情况交流电源的恢复来说，完全足够。为了与无线传感器网络进行通信，对分支感知网络中的叶节点进行了一些修改。由于CC2430中包含了MCU，所以它可以作为MCU和无线通信模块使用。

2.2 无线传感器网络

该无线传感器网络由采用ZigBee技术配置的各种移动检测节点组成，可在矿井内任意布置。在无线传感器网络中定义了两种类型的设备：全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)。FFD可以作为无线网络中的网络路由器，甚至是网络协调器。网络协调者负责整个网络，在无线网络上进行建设和管理。FFD节点可以同时与RFD节点和FFD节点通信。然而，RFD节点只能与FFD节点通信在MAC层中，每个无线节点都有一个唯一的MAC地址。然而，为了减少数据包的长度，ZigBee技术分配一个16位的网络地址。

3 地面服务器系统的设计

3.1 系统设计

地面服务器系统是基于服务平台和数据服务器进行数据处理和服务提供的系统。如图3所示，服务器平台设计了多项服务模块。将来可以很容易地向服务器平台添加更多的服务。数据服务器对感测节点获取的感测数据进行分析和存储。

图3 地面服务器系统设计

3.2 服务器平台提供的服务模块

安全监控：对煤矿进行安全监控，实现对煤矿开采过程的智能监控。该系统为煤矿管理者提供了具有煤矿二维地理视图的感测节点分布。如果不幸发生瓦斯泄露事故，所有节点都将变成报警模型，从而提示矿工和相关人员紧急撤离，并且本系统的另一大优势是利用系统服务可以检测到事故的位置，这一功能还可以和应急预案进行串联，达到“报警-应急”双重监控。

矿工定位：每个节点在无线网络中保持一个唯一的16位网络地址，每个路由器节点持有一个路由表。因此，本系统可以通过查询路由表来获得每个路由器节点所管理的子节点。因此，可以获得矿工的大致位置。基于矿工定位服务，矿长可以实时查看煤矿的状态，并以此制定更合适的救援方案来解救矿工。

设备控制：在该模块中，矿长可以实时查看探测节点的状态，如功率状态、灵敏度状态等。如果新到的节点申请加入网络，或者已有的节点由于电源不足或硬件故障需要更换，可以进行相应的设置，增强系统的鲁棒性。

检查记录：记录检查模块有3个优点。首先，矿山管理者可以根据感应记录对矿山安全状态进行分析；其次，通过数据挖掘技术检测安全基线；最后，事故记录有助于矿长制定更好的事故应急救援方案。

移动连接：建议系统可以连接互联网与3G/GPRS技术，以享受更多的互联网服务。为了更好地组织救援行动，尽可能地减少损失，矿难发生后，要向与矿难有关的人员发出报警信息。

系统集：系统集模块是本系统的重要组成部分。其原因是基于该模块的煤炭管理器可以实现更合适的系统。该系统在数据存储系统和高效结构的基础上，对海量的传感数据进行了先进的组织和管理。通过分布式数据共享和分布式快速索引数据，可以过滤出好的数据，进行信息融合和数据挖掘。在未来运行中，生产作业的相关数据也可以上传至本系统，一方面，安全生产的数据可以作为系统评判的基础，另一方面，系统积累足够的安全生产数据可有利于其更灵敏地判别事故发生情况，从而做到更高级的安全监控。因此，在数据服务器中设计统一的数据结构，可以有效地存储和检查传感记录。通过分布式数据共享技术，在整合众多煤矿的基础上，实现遥感记录的远程传输和分析，利用数据挖掘技术可以对煤矿安全基线进行动态调整。

4 结论

智能煤矿监控系统，可以实现物联网技术在煤矿安全监测中的深度融合，该系统包含一个面向管理人员的智能服务器系统和一个具有稳定性和高效性的集成传感器网络。该系统有望成为未来矿山实现智能化的重要部分，可以为相关业内研究人员及工程人员提供借鉴和思路。