无线传感器网络在煤矿安全监测中的应用

张明罡

摘要：近年来，通讯技术飞速发展，推动了无线传感器网络的应用。煤矿是我国能源需求的主要供应品，煤矿的安全关系到国家和人民的生命财产安全。本文就重点对无线传感器网络在煤矿安全监测中的应用进行了分析，以期满足我国煤矿安全监控的发展需求，通过高效的监控，保证煤矿生产效率的提高。

关键词：无线传感器网络;煤矿;安全监测

前言：煤炭是我国拓展能源的主要供给品，长期以来，煤矿的安全一直得不到较良好的保障，矿难随之频繁发生。无线传感器网络是近几年发展比较迅速的监管系统，对于传统的监管模式来说，无线传感器则在网络精度、容错性和可靠性方面比较占有较强优势，实现了精准定位功能，提高救援效率。

1无线传感器网络的简介

无线传感器网络简称WSN，其融合了现代三大先进技术，分别是传感器技术、计算机技术和通信技术，三者承担着对其信息的采集、处理和传输的重要作用，同时，三者发展促进了无线传感网络的诞生。通讯装置就组成了一个整体，将传感、执行、控制、计算与通讯能力结合到一个网络中。可以做到实时、实地、网络分区监测，并且对各种网络的监测信息进行采集、归纳、分析和总结，随后传递给其他收集者[1]。

目前，在当代各个领域对无线传感器都有较广泛的运用，如：农业、军事及医疗等，作为新时代网络新型系统，具有非常显著的特点，如：动态性、可靠性及其规范性等。

1.1组成

无线传感器网络是由四个部分模块组成，分别是传感器节点、汇聚节点、外部网络以及用户界面。传感器节点分布在感知区附近从而构成网络结构，将采集信号进行传输，传输过程中，多个节点可对信号进行处理，后汇集到结点，再由节点将信号传输到处理中心。

1.2体系结构

网络包括中心网络以及无中心网络两种。传统意义上来说网络体系是带有中心网络，指的是已有的网络出发，进行传感器网络。这种网络需事先 配置好网络节点，随后进行安装，从而形成蜂窝网络，节点可通过有线或无线方式进行连接。

这些网络节点配成为通讯子网，在蜂窝覆盖的范围之内便可放入数据采集节点进行信号采集，并将数据传输至相对应的数据分析节点中，处理后输入到相应节点。

1.3特点

无线传感器网络中有以下几种特点：

第一，大规模。传感器网络大规模包括两方面含义：一方面，是传感器节点分布时，遇到极大地理区域内，需部署大量传感器节点;另一方面，传感器节点部署及其密集，在小面积空间内，密集部署大量传感器节点。

第二，自组织。在传感器网络应用中，通常传感器会被放在没有基础结构的地方内，在使用过程中，部分传感器会由能量消耗或环境造成失败，传感器网络中的节点个数随动态而增加或减少，使网络拓扑结构随动态而变化。

第三，动态性。传感器网络的拓扑结构会因四种因素发生改变：第一种环境因素或电能耗尽造成传感器故障。第二种环境变化都有可能造成无线通信链路带宽变化，也会导致时断时通。第三种传感器网络的感知对象和观察者及传感器三种要素都可能具有移动性。第四种是新节点加入时会要求传感器网络系统适应变换。

第四，可靠性。传感器网络需要有通信保密性和安全性，防止有人盗取监测数据信息。

第五，以数据为中心。传感器网络是一个以数据为中心的网络。例如在应用目标跟踪的传感网络中时，跟踪目标可能随时出现在任何地方，对其感兴趣的用户会关心目标出现的时间及其位置，不会关心哪个节点检测目标。然而实际在目标移动时，会由不同的节点进行提供目标位置。

2煤矿安全监控中对无线传感器网络的运用

2.1WSN方案的制定

针对在煤矿监控系统存在时发生的问题，有效解决技术问题，提出WSN安全监控方案，在矿井内进行节点设置，距离为几十米。此时，同矿井的工作人员应携带终端设备，在此基础上，促进无线传感子网形成，同时借助协调器方可实现与网关设备或控制服务器的链接。

煤矿安全监控系统中可应用WSN技术，为保证优势显著，则内容如下：

第一，需有较长的通信距离。本系统对于煤矿的监测会达到一百二十米左右时，在矿井下距离得到解决之后，监控系统可靠性才可达到大幅度的提高。

第二，进行实时信号采集。本系统在进行时会对矿井中各个信息的采集具有实时性，从而更加保证了多种信息的高效转发与处理。

第三，多种节点功能，通过本系统的网络通信，获得定位参数，从而实现了对人员的精准定位，此时，在基础上，果断为事故的搜救奠定了坚实的基础。

第四，进行功耗与成本的降低。本系统存在较短工作周期，对功耗的要求偏低，此时，对系统的用量与日俱增的条件下，价格在逐渐下降。

第五，良好的扩展性。本系统对无线通信技术进行了实质性应用，通过其路由节点的增加，方可以实现监控和范围内的扩展，同时需具有良好的移动性及维护的便捷。

2.2监控系统的设计

无线传感器内网络安全综合监控系统中是由四个方面构成，地面监控中心、光纤骨干网、无线监控分站及无线传感器。纤骨干网是该系统的主要传输载体，无线监控子系统将被其分散布置且有效的连接在一起，从而最终实现无线传感覆盖整个矿山[2]。

本系统在煤矿生产中应用表现分为以下几种：

第一，感知、转换现场各种数据的无线传感器，分散在煤矿井下采掘巷道，各种数据通過无线通信汇集到区域监控分站。

第二，各个分站对本区域汇集数据进行处理，之后会通过光纤骨干网发送到地面监控中心，从而通过监控中心主机进行处理，后对生产数据及环境信息进行全面解析。

第三，对煤矿生产系统中的突发事件应进行及时处理和预警，无线传感器的网络终结点是系统中的基本单元，更负担着数据的采集与传送等。

2.2.1无线传感器网络关键部分的设计

在无线传感器网络系统的设计中，主要是根据煤矿的安全需求，充分考虑其生产时的实际安全要求，其中，关键的几个部分包括环境模块、生产监控模块和中心主站控制模块。

在环境模块设计过程中，需要对煤矿井下的气体进行监测，包括氧气、甲烷气体、一氧化碳等。同时，要对岩煤温度及烟雾等进行具体的分析，保证其处于合理状态，避免井下作业人员安全受到危害。

生产监控模块中，井下生产包含诸多环节及因素，有煤仓煤位、水仓水位、供电的电压、供电电流。在此，需要对主要生产的设备进行较严格的监控，其中包括排水水泵、提升机、采煤器、膠带输送机等。

地面控制中心主控系统依靠计算机信息技术平台，从而实现对各个区域内的数据检索，对井下作业现场进行自动化数据信息处理分析，生成环节报表，形成更完整的生产信息数据库，一旦现场环境出现了安全生产变化，则会发出预警信息，从而采取针对性的对策进行及时处理，为生产的安全提供了有效保障。

2.2.2煤矿安全综合监控系统的实现

这项技术采取了无线传感网络，有效地形成了煤矿安全生产时的综合监控体系，具体表现在，对井下生产的现场，能够进行准确、实时检测，对不同的环境及其生产信息进行状态分析，准确、安全的进行实时性监控。

当某一项的监测数据超出其安全的范围后，本系统将会自动报警，以便快速采取解决措施。该系统以计算机网络为平台，实现了全自动无人操作，同时能够自动进行监控，保证数据的真实有效性，为井下生产安全提供了绝对精准的数据库，大幅度提高了煤矿生产的安全技术水平。

结论：综上所述，通过对无线传感器网络进行的分析，又结合煤矿安全的体系内的多种要求，从而设计出无线传感器网络技术的新型煤矿安全综合监控系统，将这种无线传感器网络技术应用在煤矿监控体系中，使其更好地服务于煤矿安全的监测，从而减少矿难的事故发生，使煤矿开采时可以更加安全的进行。

参考文献：

[1]李益鸣.无线传感器网络在煤矿安全监测中的应用[J].工程技术研究，2019（16）：140-141.

[2]靳伟峰.基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统设计与分析[J].山西煤炭管理干部学院学报，2018，031（003）：55-58，61.