基于无线传感网络的煤矿综合监测系统

摘要：从人员安全的角度出发，通过使用传感器对矿井温湿度、瓦斯气体浓度以及矿工位置的实时监测，并利用成熟的无线传感网络通信技术和工业无线通信设备，构成煤矿综合监测系统，实现对煤矿井下作业的安全保证。
关键词：无线传感网络；温湿度传感器；瓦斯传感器；簇状网络

    我国作为世界产煤大国，煤矿产量占世界35％。但我国同时也是矿难大国，因矿难的死亡人数竟占世界的80％，煤矿百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30倍。这其中大多是因为瓦斯爆炸引起的，严重威胁着矿工的生命安全。因此煤矿都需要建立完善的自动监测、预警系统，对矿井中的瓦斯、一氧化碳等易燃易爆气体含量以及温度、湿度等重要参数及时掌握，保证工作环境的安全。
    目前传统的管理方式基本都是靠工作人员实地观测并通过对讲机等通讯设施，人工向监控中心汇报情况，安全性和实时性都较差，还可能造成无法发现、漏报、迟报等危险。因此基于各种网络的自动监测系统成为了煤矿安全生产发展的方向。
    国内目前在矿区使用的较成熟的监测系统，大多采用有线方式，如KJF2000、KJ4／KJ2000等系统。但有线系统存在着布线麻烦、设备无法随意移动、难以进行人员跟踪定位等缺点。因此基于无线传感网络的无线监测系统成为了目前研究和应用的重点，但这些系统大多处于研究阶段，相关现场设备大多是自主研发的样机，可靠性和实用性不高，而且往往功能单一。
    本文通过对成熟的无线传感网络设备和各种现场传感器的集成应用，实现对煤矿作业现场的温湿度、瓦斯浓度以及人员定位等重要信息的实时监测，具有系统开发难度低、可靠性高、功能全面等特点。

1 无线传感网络及设备
    随着计算机、通信和网络技术的飞速发展，无线传感网络应运而生。工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的，具有低成本、低功耗、高度灵活性、扩展性强等特点，已经成为继现场总线技术后的又一个研究热点，文献对于工业无线网络的现状和发展趋势进行了研究和对比。考虑到Zigbee技术应用的广泛性和成熟性，因此该项目采用Disi公司基于Zigbee协议的工业用ConnectPort X网关及XBee ZB适配器产品。
1．1 Zigbee无线传感网络通信协议
    Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术，由IEEE 802．15．4和Zigbee联盟共同制定。Zi gbee技术广泛应用于各种短距低速的场合，如医疗护理、汽车自动化、农业自动化和遥测遥控等。Zigbee的网络设备通常分为三类：中心协调器(PAN Coordinatox)、路由器(Router)和终端节点(End Device)。其中前两类具有路由功能，可组成全Mesh网络拓扑结构。而终端节点不具有路由功能，只能与中心协调器或路由器单跳连接，组成星型网络。终端节点的优势是可以进入休眠模式，以降低功耗。由这三类设备可组成各种不同的网络拓扑结构，如图1所示。

    作为全球Zigbee和数传领域的领跑者，美国Digi公司拥有完整的Zigbee产品和解决方案。其中加强型Zigbee系列(XBee Pro)室外可视距离达到1．6 km，最大传输速率250 kbps，支持最新的Zigbee Pro协议，参数可配置，可组成任意网络拓扑结构，具有网络安全加密、路由／终端节点自动加入网络、信道跳频等特点。并且作为工业级产品，具有较高的可靠性和工业应用价值。
1．2 ConnectPort X网关
    ConnectPort X网关为无线XBee网络上的终端设备提供IP网络连接。网关采集终端节点数据，处理后通过以太网、Wifi或无线蜂窝连接发送到上级应用。可选多种配置。同时内置Python开发环境，使用户可以在网关中实现应用的定制，支持不同应用。
    ConnectPort X网关具有连接状态及信号强度等指示，采用4”全向天线，通过10／100Mbps自适应RJ-45以太网端口实现与上级计算机的连接。采用工业金属外壳设计，6～30VDC输入电压，安全性和电磁兼容性／抗扰度达到国际标准。
1．3 XBee ZB适配器／传感器
    XBee ZB适配器通过一系列可供灵活选择的物理接口，与智能电子设备进行连接，使这些智能电子设备具有了符合Zigbee协议的无线通信能力。所提供的可选物理接口包括RS-232、RS-485、数字量I／O和模拟量I／O等。这些适配器有多种配置和定制选项供用户选择，以满足不同应用的需求。它是传感器、控制器、其它有线应用和有通用接口设备无线联网的理想选择。
    XBee ZB传感器集成了环境温度、光强和湿度测量功能，温度测量范围-18℃～55℃，光谱带宽范围360～970 nm，湿度测量范围0～100％RH，电池供电，便于携带。
    XBee—PRO ZB系列的发射功率达+17 dBm，接收灵敏度-102 dBm；采用IP66外壳，达到三防效果；输入电压范围3．7～6VDC和9～30VDC可选，支持外接电源或电池供电，并可配置为中心协调器、路由节点和终端节点中的任意一种。

2 系统构成及组网方式
    本文所涉及的煤矿综合监测系统，主要目的是实现井下温湿度、瓦斯以及作业人员位置的监测。考虑到温湿度和瓦斯的测量是在固定位置，而作业人员的位置是变动的，因此考虑将温湿度和瓦斯的测量作为一个集成的路由节点存在，而作业人员作为一个终端节点存在。这样，构成了一个基于Zigbee簇状网络的系统架构，如图2所示。

    “地面”的“现场监视站”，还可以利用Digi公司提供的云平台，实现数据的发布和远程监视。
    对于“井下”的Zigbee无线通信网络而言，包括三种类型设备：“网关”、“环境数采设备”和“人员位置数采设备”：
    ●“ConneetPort网关”放置在井口处，一方面作为协议转换器，与“地面”上级系统建立接口和连接；同时也作为整个井下无线系统的中心协调器存在，负责无线网络的建立和维护。
    ●“环境数采设备”按一定距离(300 m)在井内进行放置，实现对温湿度及瓦斯等环境参数的测量。考虑到这些节点需要同时作为人员位置监测的参考点，此外从网络的可靠性角度出发(如果中间有一个节点故障，仍希望网络是正常工作的)，因此这些固定放置的环境监测设备作为Zigbee的路由器存在，其供电也将采用有线方式；所有环境监测设备组成链状网络，最终与“网关”实现连接和数据交互。
    ●“人员位置跟踪设备”采用XBee ZB传感器模块，由井下矿工随身携带，从功耗角度考虑，该类设备作为Zigbee的终端节点存在，因此可以保持较长的工作时间。同时该终端节点采用网络主动搜寻模式，可以按预先设定的时间间隔唤醒并主动搜寻最近的路由节点并加入网络，由此实现定位跟踪。
    井下“环境数据采集设备”的构成如图3所示，包括温湿度传感器、瓦斯传感器以及一个XBee—PRO ZB适配器。

    ●温湿度传感器：采用E+E公司的EE30EX本安型温湿度传感器，温度测量范围-40℃～180℃，湿度测量范围0～100％RH，采用24VDC供电，输出范围0～10 V或4～20 mA。
    ●瓦斯传感器：采用中煤科常州自动化研究院的KGJ16B型瓦斯传感器，测量范围0～4％CH4，采用9～24 VDC供电，输出范围1～5 mA，通过串联电阻可变换为1～5 V。
    ●XBee—PRO ZB适配器：由于温湿度和瓦斯传感器均为模拟型输出，因此选用模拟输入型XBee—PRO ZB适配器，有三组模拟输入通道，0～10 V或4～20 mA可配置。目前系统仅使用了其中的2个输入通道，并且均选用0～10 V测量范围。

3 结束语
    采用已有的成熟传感器和无线传感网络设备，通过集成和组网，实现煤矿井下作业环境和人员位置的实时监测。同时根据测量功能和节点位置的不同，将环境测量用设备配置为Zigbee路由节点，按一定间隔进行固定放置；而将人员定位设备配置为Zigbee终端节点，可进入低功耗模式，同时自动搜寻最近的路由节点，实现位置的跟踪定位。
    该系统具有结构简单、易于实现、可靠性高、功能全面等优点，适合于煤矿综合监测的广泛应用。