基于无线传感网络的矿井监测系统关键技术研究

杜华东

（黑龙江矿安安全生产技术有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

伴随着我国社会经济的迅猛飞速的发展，煤炭能源已经成为国内至关重要能源资源供应的一种，也是各行业领域的基础性主要燃料，煤炭能源的需求量需要满足现代社会对其的需要，那么伴随而来的就是矿业开采经营规模的扩大、对矿井下工作者的需求量激增，导致矿井下的安全性及确保矿井下工作者的安全性问题已经不可忽视。国内的煤炭能源制造一般来自于地下开采，矿井下制造工作环境很苛刻。近些年来国内对煤炭企业的安全生产工作也愈来愈关注，国内考虑到工程地质工作环境局限，煤炭能源的开发利用一般以矿井下居多，要想克服矿井下的安全生产工作难题，实现井下的安全性生产调度和通信保障是关键难题。考虑到井下构造的复杂的特征，矿井下至关重要的工作环境数据如周围环境温度、井下空气湿度、气体压力、风速等级还有有害气体浓度值等，难以用有线通信方式即时地监管。因此，煤矿安全生产成为了一个急需解决的关键问题，研究分析出能缩减、甚至是清除井下自然灾害的全新智能化安全性技术方法，已经显得非常急迫，确保煤炭能源安全生产工作，保证能够满足祖国对煤炭能源海量需求。井下安全性智能监测无线传感器网络系统整体构造，主要采用了ZigBee 无线电技术、传输路由协议和定位算法三种现代核心科学技术。无线传感器网络做为一种新式的无线通信技术，运用于井下环境监控系统的解析和设计当中，不止为井下安全生产工作管控和重大事故紧急救援给予安全可靠的技术服务，还为相近井下的环境监控系统的解析和设计给予理论基础和运用示例[1]。

1 无线传感器网络分析

无线传感器数据网络是由布署在监控区域环境内大批感应器节点借助自组织形式构成的网络管控系统，每一个节点协同地觉察、采集和整理被监控区域环境中觉察目标的信息内容，借助对这些信息内容的协同式整理，获取觉察目标的精准信息内容。因此，感应器、觉察目标和观测者构成了无线传感器数据网络的三个基本要素。基于无线传感器网络技术的煤矿安全监控系统在承继了无线传感器数据网络的系统自动觉察、系统自动组网、多跳无线中继传递等特征的同时，综合考虑到了煤矿业矿井下的真实情况[1]。

1.1 无线传感器数据网络的内外部通常构造

常见的传感器网络由感应器节点、汇聚节点、移动计算机网络或通讯通信卫星和任务管理处理节点等部件共同构成。传感器节点任意布署分散在被监控监督的区域环境内，节点以自行自动组织的形式构成数据网络，每一个节点都能够采集数据信息，并借助“多跳分享”路由形式手段把数据内容信息传递到汇聚节点和别的邻近节点。汇聚节点可以直接与移动互联网或通讯卫星连在一起，借助移动互联网或通讯卫星完成任务管理节点与感应器节点相互之间的通讯。移动用户借助管理节点对传感器网络实现管控和配制，推送监控日常任务并采集数据监测。

1.2 感应器节点的功能模块构造

无线传感器数据网络的关键部件是感应器节点。通常情况下，感应器节点由感应器功能模块、数据整理功能模块、无线通讯功能模块和能源资源供给功能模块构成。当中感应器功能模块由各种类型感应器及模数转换机器设备构成，处理器功能模块通常主管协调节点各部件作业；无线通讯功能模块通常主管与其余感应器节点及观测者的通讯；能源资源供给功能模块给予感应器节点平常作业所需要的能源资源，它是直接影响节点使用期限的主要因素。

1.3 无线传感器网络特点

（1）感应器节点体型小，成本费用低，具备自适应性无线传感器中运用的感应器节点各部件集成度很高，因此具备体型小的优势。传感器网络是由大批的感应器节点组织联系在一起构成的，其生产和加工、制造的成本费用非常低。因此，传感器网络具备不错的稳定性和自适应性[2]。

（2）电源模块能源资源是数据网络使用期限的核心无线传感器数据网络一般管控系统布署在极端场景或人不适宜抵达的区域环境，电池组能源资源比较有限，且通常无补给能源资源，感应器节点基于电源模块能源资源的缘故经常性失灵或丢弃，因此如何有效提高电源效率是设计构思节点时需要考虑的主要因素。

（3）数据管控与加工处理是传感器网络的核心内容，无线传感器网络技术自身最突出的特征就是以数据收集处理为中心，传感器网络的设计必须以对数据的收集和管控为核心内容，把数据库技术和计算机网络技术融合在一起，从逻辑理性概念和软件硬件技术等几个方面考虑其系统的设置和实现。

2 无线传感器网络的矿井环境监测系统的方案设计

体系设计方案按照无线传感网络技术创建，以做到对矿井下环境监控和管控。该监控系统可分成两个分系统，存在于煤矿井下的部分的采集与传送体系，和存在于地面上部分的网络监控与管控系统。

2.1 采集与传送体系

采集与传送体系具体包含移动节点、路由节点及其汇聚节点，做到对矿井下生存环境等信息数据的采集与传送，感应器节点设计构思按照无线传感器网络的通信原理和单片机设计理论知识，可设计构思感应器的普通节点和汇聚节点。移动无线传感器网络节点由矿井下煤矿工随身携带，蓄电池配电，含有检测高瓦斯浓度值等生态环境质量网络监控传感器，具备无线数据传输信息的基本功能，并在环境监控数据超出标准时自行警报。各个移动节点给予一个唯一的序号，用来明确携带者的个人身份、具体位置等信息。其中，移动节点和路由节点两种节点全部都是感应器的节点，具体采集矿井下区域环境真实情况信息，不断开展多跳转发分享，只将本节点认知的信息发送到紧邻路由节点；路由节点开展“多跳分享式”转发，将认知的信息按照路由协议推送出去；固定无线传感器网络节点按特定的距离稳固在支煤巷道内壁，具备区域环境信息和无线数据传输信息的基本功能;并在环境监控信息数据超出安全标准时自行拉响警报。对于各个固定节点的具体位置，必须通过在电子计算机数据库系统中办理备案的方式予以记录，以此记录作为固定座标点，方便在井下工作时用来明确运动节点的具体坐标位置。汇聚节点的功能是做到传送体系和管控系统相互之间的传送数据，相当于系统相互之间的一个网关节点。关于基站接收机节点，主要被安置在主煤巷内，收发固定式无线传感器网络节点传送过来的信息数据，并将收集到的数据信息凭借通讯光缆飞速传输给专门负责信息数据收集的数据库系统的网络服务器中[2]。

2.2 网络监控与管控系统

网络监控与管控系统包含监测中心电脑网络、数据库系统和远程监控软件等，无线传感器网络采集的信息凭借汇聚节点传到监测中心并存进数据库系统，远程监控软件对信息开展具体分析加工处理，并按照信息的变换对工人及矿井下区域环境开展监督控制。

2.3 数据处理流程设计

按照无线传感器网络的矿井下环境监控体系的数据整理程序流程是：首先由感应器节点开展矿井下区域环境信息即时采集，经其内嵌的信号处理器简易加工处理后发送到紧邻路由节点，路由节点凭借多跳转发分享的形式将信息发送到汇聚节点，汇聚节点将收发到的信息分享到地面上信息监测中心，信息监测中心将收发到的汇聚节点的信息存进数据库系统，并对信息开展具体分析，以获得有效的矿井下区域环境信息，最后将具体分析结论展示给系统管理员。信息收集数据库系统网络服务器采集加工处理信息，将信息保存到数据库系统，并随时随地向网络监控部门给予即时精准的矿井下区域环境信息。

2.4 数据信息监控中心设计

数据信息监控系统核心的功能是接收汇聚节点监控的数据信息，剖析矿井下区域环境状况。它核心由端口服务器、数据库系统服务器、数据信息监控服务器等构成。端口服务器用于与汇聚节点开展通讯，完成协议变换；数据库系统服务器用于归类存放传感器网络发送的矿井下数据信息，与此同时与数据信息监控服务器开展通讯；数据信息监控服务器运转电脑监控软件，剖析并展现矿井下区域环境状况。电脑监控软件是数据信息监控系统的核心组成部分。它由即时展现模块、数据查询模块、数据加工分析模块、警报监管模块和系统维护模块构成。

2.5 实用性和可行性分析

矿井底下作业的空间范围窄小、密不透风、工程地质状况复杂多样化，难于布置有线机器设备监控点，无线传感器网络中的感应器节点的体型大小非常小，价格低，能够管控系统自由撒放于所有不规律的空间，它们觉察被测地域数据信息并相互之间递送，使有线机器设备无法取得的数据信息借助汇聚节点和路由节点最终能够抵达监控系统，完成井下区域环境数据信息的实时监测。设计无线传感器网络应用或测试时，一般采用ZigBee通讯技术。

ZigBee 技术是一种短距离传输、耗能较低、成本费用低的非单向无线通信技术，是当下在井下企业安全生产监控系统中普遍采用的无线电技术，管控系统ZigBee 技术在运用前期核心在国防军事业务领域。随后对ZigBee 技术开展资源整合和有关衍生技术的研发，如今早已普遍地运用于灾害监测、能源资源监控等多方面。该技术能够植入各类机器设备中，与此同时兼容地理位置精确定位的功能。与此同时，充分考虑到矿井下通讯的某些特别要求，例如：井下煤巷的半封的空间结构还有煤的电解介质特征促使井下在工作频率较高的状况下相似于介质波导，能够在2.4GHz 频率段工作，使高频率无线电通信信号在井下中更加合理有效地直接的传送。众多专家学者早已对无线信号在井下中的传送开展了测试，最终结果表明其传播性能指标良好。2.4GHz 频率段也是全球通用的工业生产、科学研究、医学研究频率段，免收费、免申报，在此频率段上天线规格和电源芯片功能损耗能够设计的更小，矿井下通讯特别适合用。其主要特点主要包含下面几个方面:

（1）功能损耗低，传送数据时的稳定非常高。ZigBee 技术将任务全过程划分两个过程模式，分别是工作模式和休闲模式。在工作模式下，ZigBee 技术的传输数据信息的速度比较慢，传输的信息量也会较为小，因此，数据信号的收取和发送时长便会较为短。而在非工作模式下，有关ZigBee的节点便会进入休闲的形态，即开启了所谓的休闲工作模式。在此模式下工作可以节约非常多的电力能源，一节干电池就可以用很多年了。并且在MAC 层，选用了争端预防机制，提高了信息内容传送数据的安全可靠性。

（2）存储的数据量很大，兼容支持很多其他设备，且安全性能非常高。ZigBee 技术的应用内部结构十分简单，并且也兼容简易电子元器件。一个ZigBee 技术的数据网络可以涵盖255 个ZigBee 的网络节点，假如在这个数据网络里选用了数据网络统筹协调器，那么就可以兼容65535 个网络节点。并且这个互联网技术可以和目前的有线互联网技术和无线互联网无缝对接集成化，非常大地推动了ZigBee 的广泛运用，并且ZigBee 还兼容基于128 位的密码算法，进而提高了传送数据的安全性能。

（3）成本费用造价低，任务频率段设定灵活机动。因为ZigBee 技术的网络层协议比较灵活，其合理有效的覆盖面积在10m～75m，应用频率段可以在2.4GHz，868MHz，915MH，这3个频率段上免费体验，正因如此，目前许多管控系统煤矿业公司在挑选无线通信技术时，选用的是ZigBee 技术。

3 结语

本篇文章紧密结合井下工作环境的特点，经过解析无线传感网络的技术性特点，解析构思了基于无线传感器网络的井下环境监控操作系统仿真模型，紧密结合对应的无线通信技术性以及路由协议就可以展开仿真。伴随着无线传感器网络的发展壮大及井下环境监测方式的持续提升，日后的研究分析作业还将更进一步拓展。可从下面这几个方向改善操作系统的总体性能，如增多传感器节点的功能和性能，引进音频与视频等多媒体系统传感器，使管理者对矿井下具体情况一览无余。紧密结合无线传感器网络传输数据的融合技术性，提升数据采集的速率与效率，获取更精准的矿井下数据，合理节省节点的能量消耗延缓其使用期限等。