基于多跳网络的安全生产监测系统设计研究

黄维

摘要：随着计算机网络技术的快速发展，使得煤矿安全生产管理工作有了进一步的提高。然而，煤矿事故频繁发生，传统安全生产监测系统面临着迫切的升级。为解决煤矿安全生产过程中存在的无法精准检测导致的生产安全问题，文章提出了一种基于多跳网络的安全生产监测系统。该系统的设计通过计算机网络和煤矿重要生产节点之间形成了多跳网络，实现了对煤矿不同生产地点的情况进行实时有效监测。同时，该系统的设计主要利用无线通信传感器技术，实现对矿井下安全生产数据的采集，并利用无线通信网络将数据传输到对应的服务器中，利用煤矿安全生产监控系统对数据进行充分挖掘，以此来检测煤矿生产是否安全。最后，经测试证明，文章提出的系统能够有效实现对矿井生产安全过程的监测。

关键词：多跳网络；安全生产；监测系统；云计算技术

中图分类号：TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）08-0094-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

随着煤炭能源在我国能源结构中的地位日益重要，煤矿企业的生产压力也在逐渐增大。与此同时，安全生产问题也日益突显。尽管国家已经采取了一系列措施来应对这些问题，但与西方国家相比，仍存在一定的差距。在这个背景下，多跳网络的应用为煤矿企业解决安全生产问题提供了一种新的思路。通过将多跳网络引入到煤矿企业的安全生产管理中，不仅可以提高管理效率，还能有效预防和排除各种安全生产隐患。实时监测技术能够时刻监控煤矿的安全状况，并将收集到的数据实时传输到监控中心。这些数据可以为生产决策提供重要的参考依据，进一步提高煤矿的生产效率[1]。因此，将多跳网络应用到煤矿企业安全生产中，不仅可以提升生产效率，更能保障工人的生命安全，为我国煤炭产业的健康发展提供有力支撑。所以，本文将详细探讨基于多跳网络的安全生产监测系统的设计研究，希望能够有效提高煤矿的生产安全。

1 基于多跳网络的安全生产监测系统总体结构设计研究

基于多跳网络的安全生产监测系统主要包括数据采集层、数据处理层和应用层三个层次。数据采集层主要负责采集生产现场的各种数据，如温度、湿度、压力、流量等；数据处理层负责对采集到的数据进行处理、分析和挖掘，以发现安全隐患和异常情况；应用层则负责将处理结果以直观的方式呈现给用户，并提供预警、报警等功能[2]。具体结构见图1所示。

从图1可以发现，本文提出的煤矿安全生产监测系统，主要由4个部分组成。其中，煤矿井下数据采集端则是由监控站和各项数据采集传感器共同组成，主要实现了对煤矿井下生产过程中的环境、温湿度等信息以及供电设备的参数进行采集分析。客户端的设计主要由云数据中心提供相应的服务，并对数据采集端的不同数据进行接收。接著，将所接收到的数据进行转化处理，并上传到云数据中心，利用安全生产监测系统对煤矿井下安全生产过程进行监测，如果存在异常问题，系统就会及时给出预警，并将其信息上传到监测指挥中心，由指挥中心实施制定应急救援服务。同时，工作人员还可以根据井下安全生产所发生问题进行及时调度。

2 系统软件设计

基于多跳网络的煤矿安全生产监测系统的软件设计，主要包含了监测信息采集服务器、人体特征采集模块、井下人员定位模块以及数据监测中心模块等多个部分组成。

2.1 监测信息采集服务器

在矿井深处，瓦斯浓度的异常升高是威胁安全生产的关键因素。为了实时监测瓦斯浓度，可以在矿井下布置精密的瓦斯传感器。一旦瓦斯浓度接近或达到预设的警戒值，传感器将立即发出警报，为矿工们提供足够的时间采取应对措施。同时，数据检测中心的工作人员也会收到警报，确保他们能够迅速响应，采取必要的措施，并通知井下的工作人员。除了瓦斯浓度，矿下的温度和湿度也是影响工人健康和生产效率的重要因素。为了确保矿下环境的舒适度，我们部署了温湿度传感器。这些传感器会持续监测矿下的温度和湿度，确保它们保持在适宜的范围内。如果发现温度或湿度超出安全范围，系统会立即采取相应措施，如启动通风设备或调节矿井内的温湿度，以确保工人们能够在最佳的环境中工作[3]。

2.2 人体特征采集模块

矿井下的工作环境与一般生活环境大相径庭，其封闭、狭小的空间以及潜在的危险气体，对矿工的身心健康构成一定的影响。为了更好地关注矿工的身体状况，设计了人体特征信息采集模块。在矿工下井之前，需要预先设置好温度传感器，并将其穿戴在身上。这些传感器会实时收集人体的生理数据，如体温等，并将这些信息上传到中心控制室。控制室的工作人员可以实时监测到矿下工作人员的体温数据，从而对他们的身体状况进行评估。更为重要的是，当发生紧急情况或事故时，根据实时上传的人体相关数据信息，优先对那些急需救援的人员采取行动，最大限度地减少人员伤亡。这种实时监测机制不仅提升了救援的效率，更为矿工的生命安全提供了有力保障，进一步确保了矿井生产的安全顺利进行。

2.3 井下人员定位模块

该模块的设计主要利用多跳网络设计一套定位系统节点，以此来实现对井下工作人员的位置信息进行实时获取和定位。其中，该系统的节点设计主要包含了未知和信标等两个节点。简单来说，信标节点就是指定位系统的坐标系，而未知节点，则是井下工作人员所配备的被定位设备节点。这些未知节点的位置信息是以信标节点为基准的相对位置信息。结合布置地点的参数信息，通过特定的计算方法，这些相对位置信息被转换成实际的地理坐标信息。当相关信息被上传到控制中心之后，其工作人员就可以实时地了解和掌握工作人员的位置情况，从而促进工作效率提高，并且还能够达到预防生产安全风险的效果。尤其是在煤矿井下可能发生爆炸或者塌方的地方，通过定位系统可以起到更好的预防和救援作用[4]。

2.4 数据监测中心模块

该模块作为整个煤矿安全生产监测系统的核心模块，承载着信息的汇集与任务的调度功能。这个中心运行着专门开发的软件平台，该平台承担着系统的数据接收、上传、显示等多项任务。此外，它还包括电脑终端的数据接收、上传、显示软件，以及安卓手机端的信息显示软件。所有收集的数据还会实时上传至云平台进行存储。数据监测中心的工作人员通过软件平台，实时监控矿井下的各类环境参数，如瓦斯浓度、温度和湿度等。这些数据为工作人员提供了矿井下的实时工作状况。当有特定的任务需要下达时，中心的工作人员会根据传感器传回的数据，精准地将任务指派给最适合的工作人员。这种精准的指派确保了任务能够得到及时处理，从而大大提高了矿井下的安全生产水平。

3 系统硬件设计

3.1 硬件节点设计

主要为安全生产监测系统软件的运行提供了基础支持。因此，在设计过程中对硬件的合理选择，对监测系统的性能就有直接的影响。结合无线传感器的安全生产监控系统在接收到数据采集端所采集到的不同数据参数，会经过多跳发送到软件系统中，再由软件对数据进行处理，然后显示在终端显示器上，以此完成了数据采集、传输和显示等操作[5]。

3.2 矿井下数据采集端设计

该端的设计主要由3个部分组成：无线通信模块、核心处理器以及数据采集传感器等。其中，传感器的设计选择采用ZigBee芯片进行设计，该芯片能够将所有采集到的数据传输到数据处理器中，具体结构见图2所示。

根据图2来看，该硬件设计选择采用LPC1756型号的处理器，作为采集端的处理器芯片，该芯片具有低功耗、高集成度的优势，能够实现对各种传感器提供服务。ZigBee模块在接收到传感器节点数据后，通过ZigBee网关将这些信息传递给处理器。处理器采用LPC1756 ARM，负责进一步处理这些环境参数数据。随后，这些经过处理的数据通过无线通信网络发送至无线网络采集点。这些采集点充当数据中转站，将接收到的信息再转发到井上系统服务器。井上系统服务器不仅存储这些数据，还提供了一个平台，让监测人员能够利用上位机软件实时查看、分析这些数据。这种监测模式实现了对煤矿生产过程中的环境参数进行实时监控和数据分析，有助于及时发现潜在的安全隐患，确保煤矿生产的安全顺利进行。

3.3 传感器设计

安全生產监测系统中的传感器主要包含了人体温度传感器、瓦斯传感器、温湿度传感器、定位系统节点传感器等4个方面。其中，从人体温度传感器设计方面来看，该传感器的设计本文选择采用DS18B20型号传感器为主。针对瓦斯传感器的设计，选择具有A/D变换器/信号放大器以及催化元件、输出电路和单片机等多个核心部件的传感器。这样一来，当井下发生瓦斯气体泄漏时，传感器中的催化元件就可以检测到对应情况，并出现相应的化学反应。接着，气体的浓度会通过电压大小的方式进行表达，并由数值的方式显示出来。而温湿度传感器的设计，主要由4个部分组成：串行接口电路、温度/湿度传感器以及A/D转换器等。其传感器的设计能够实现在不同恶劣环境下长期稳定地实施检测工作，同时，该传感器还具有较高的精准度，可以实现对不同传感器进行精准。

3.4 综合调度信息系统

在煤炭生产过程中，综合调度信息系统扮演着至关重要的角色。该系统通过DCS信息采集技术，可以实现对煤矿安全生产工作进行相应的调度、监控以及反馈，还能够对其生产安全情况、销售情况等相关数据进行实时处理。

综合调度信息系统的运行有助于加强对企业的规章及其执行情况的统一管理。通过系统的实时控制，系统能够及时检测到生产过程中可能存在的安全隐患，并及时发布相关信息。这不仅有助于找出问题，优化资源配置和使用，还能通过远程控制实现安全生产管理与远程基本信息管理的有效结合。这种结合进一步强化了对煤矿安全生产的排查和调度，确保事故隐患在萌芽状态就被及时发现和控制。此外，综合信息调度系统在调度管理方面实现了有效管理。调度管理的内容包括安全隐患排查、安全生产管理、经营状况管理以及图表台账的建立和应急指挥预案的制定等。这些信息的采集和内容管理确保系统全面反映煤矿企业在安全生产过程中的经营状况。同时，根据实际情况进行及时的调整和动态更新，确保对生产全过程的严格监督和管理[6]。

4 仿真测试分析

为了验证本系统的可行性和有效性，以某煤矿企业为例进行了实际应用测试。因此，本文选择从硬件和软件等两个方面进行测试分析，以此来证明所提出系统的性能。基于多跳网络的安全生产监测系统，不仅需要在无线传感器网络节点上实现可靠性和安全性，还需要在监测系统上确保其可行性。因此，选择对系统的硬件进行测试。对于系统硬件的测试，本文选择从节点采集数据和数据在节点之间的传输、网关汇聚等方面对井下安全生产监测的稳定性进行分析。针对测试的场景选择某个学校的操场作为例子，对测试过程中的丢包率和错误率进行评价分析，以判断本系统是否满足需求。具体测试结果见表1所示。

经测试结果可以发现，受煤矿井下环境因素的影响，其通信距离在合理控制范围内，发送接收包成功率在98%左右，其错误率低于2%，满足了系统通信方面的要求。同时，为了进一步确定本系统的可行性，又对系统的数据节点采集功能进行了测试，包括温湿度传感器节点、定位系统节点等。首先，对温湿度节点进行测试，当传感器成功采集到相关数据信息后，会经过数字电路进行转换，但在转换过程中可能出现误差，因此需要对数据节点上的数据信息进行精准定位，以确保数据的准确性。其次，经过测试发现，温度和湿度两者相差在两位小数以上，所以可以忽略不计。此外，通过在本企业部署本系统，实现了对生产过程的全面监测和预警报警，及时发现和解决了多起安全隐患，提高了企业的生产效率和安全性。同时，本系统还具备良好的扩展性和可维护性，可以满足企业不断增长的需求。

5 结束语

基于多跳网络的安全生产监测系统是实现企业安全生产的重要手段。通过该系统可以对企业的生产过程进行实时监测和预警报警，及时发现和解决安全隐患，提高生产效率和安全性。同时，该系统具备良好的扩展性和可维护性，可以满足企业不断增长的需求。未来，随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，该系统将进一步智能化、自动化和集成化，为企业提供更加高效和安全的生产环境。

参考文献：

[1] 李晓敏.网络技术在煤矿安全监测监控中的应用[J].现代工业经济和信息化，2023，13（4）：35-37，65.

[2] 林杰，朱宗宝.基于云计算技术的计算机网络安全储存系统研究[J].无线互联科技，2023，19（2）：147-149.

[3] 何一鸣.计算机网络安全监控系统的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2023（6）：29-32.

[4] 黄杰韬，王泽涌.数据实时分析的电力安全生产监测系统设计[J].能源与环保，2022，44（12）：256-261.

[5] 王振彦.基于云计算技术的煤矿安全生产监测系统设计[J].能源与环保，2022，44（1）：78-83.

[6] 杨钰.基于实时目标跟踪的生产安全监控关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2022.

【通联编辑：光文玲】