李 資，蔣慧強(qiáng)

(1.新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校，烏魯木齊830091;2.新疆烏魯木齊市消防局，烏魯木齊830000)

1 引言

目前的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)不能從根本上滿足井下特殊作業(yè)環(huán)境，例如，采掘面大型機(jī)械設(shè)備的移動、主要設(shè)備的現(xiàn)場檢修等臨時施工點(diǎn)，不能滿足和適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的快速布防和對安全監(jiān)控系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測與實(shí)時傳輸?shù)囊?，不能形成大?guī)模的監(jiān)控和監(jiān)測信息的實(shí)時傳輸，導(dǎo)致井下臨時施工點(diǎn)成為煤礦井下安全隱患r主要場所之一。

針對礦井臨時施工點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控問題，設(shè)計(jì)了安全監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)論述。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

井下臨時施工點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦井臨時施工點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中信宿節(jié)點(diǎn)放置于井下臨時施工點(diǎn)的安全監(jiān)測區(qū)域中心，無線傳感器節(jié)點(diǎn)則均勻放置在監(jiān)測區(qū)域，信宿節(jié)點(diǎn)中配置液晶顯示模塊、超限聲光報(bào)警裝置、無線通信模塊、鍵盤和存儲模塊，無線傳感器節(jié)點(diǎn)配置有無線通信模塊和瓦斯檢測設(shè)備(通常為甲烷濃度傳感器)，信宿節(jié)點(diǎn)由收發(fā)天線經(jīng)無線射頻通信鏈路與多個無線傳感器節(jié)點(diǎn)相連，從而構(gòu)建煤礦井下臨時施工點(diǎn)的安全檢測無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)在臨時施工點(diǎn)放置好信宿節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)之后，打開所有節(jié)點(diǎn)的電源開關(guān)，信宿節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)迅速自組織無檢測死角的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

這種無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)簡單，可以快速布設(shè)和組網(wǎng)，也可以在多個施工點(diǎn)重復(fù)使用，關(guān)鍵是具有功能復(fù)用性的信宿節(jié)點(diǎn)，它可以使得構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

通常情況下信宿節(jié)點(diǎn)用作監(jiān)視器，內(nèi)置的顯示模塊實(shí)時顯示各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作情況。如果發(fā)現(xiàn)某個無線傳感器節(jié)點(diǎn)失效，信宿節(jié)點(diǎn)的顯示模塊就顯示失效節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識號，然后工作人員可以及時更換或檢修失效節(jié)點(diǎn)，保證井下臨時施工點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域能夠不存在檢測死角。當(dāng)?shù)V井中有異常情況發(fā)生時，信宿節(jié)點(diǎn)又可作為報(bào)警器使用。內(nèi)置的報(bào)警裝置可及時報(bào)警異常情況，一旦信宿節(jié)點(diǎn)收到無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的瓦斯?jié)舛瘸鲈O(shè)定的安全界限時，報(bào)警裝置能立即報(bào)警，工作人員可及時撤離或采取有效的安全自救措施。報(bào)警裝置的報(bào)警上限可以自行設(shè)定，可以在不同的臨時施工點(diǎn)視具體情況設(shè)定不同的安全界限。

另外，信宿節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的存儲模塊存儲了從無線傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)臨時施工點(diǎn)結(jié)束工作后，通過USB接口把數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，從而可以查看臨時施工點(diǎn)周圍環(huán)境的瓦斯?jié)舛龋治鐾咚沟膭討B(tài)變化特征，找出潛在的安全隱患。

3 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

井下臨時設(shè)施供電自組織通信協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)主要考慮具體的井下臨時施工環(huán)境［1］。

(1)物理層

主要負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的信息采集，即臨時施工點(diǎn)周圍環(huán)境參數(shù)的檢測，并對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，包括信號的調(diào)制解調(diào)、發(fā)送和接收等任務(wù)。通常該網(wǎng)絡(luò)采用無線電波載波媒體，工作頻段為430Hz/868Hz/915Hz。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層

負(fù)責(zé)媒體訪問控制和建立節(jié)點(diǎn)之間可靠的通信鏈路，主要由媒體訪問控制MAC組成。系統(tǒng)采用基于預(yù)先規(guī)定的媒體訪問控制協(xié)議，首先由信宿節(jié)點(diǎn)向各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個開始指令，無線傳感器節(jié)點(diǎn)偵聽到指令信息，轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)收到來自信宿節(jié)點(diǎn)的開始指令后，由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，并按ID×2ms(ID為各個節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識號)時間間隔逐個向信宿節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣能避免信道中發(fā)生競爭沖突，造成數(shù)據(jù)包的丟失。

(3)網(wǎng)絡(luò)層

主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由，該網(wǎng)絡(luò)采用按需路由協(xié)議，即采用“路由請求/路由應(yīng)答”機(jī)制來建立路由。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要去往某未知目的的節(jié)點(diǎn)路由時，廣播一個“路由請求”分組至源節(jié)點(diǎn)的所有鄰居?！奥酚烧埱蟆狈纸M包含有“廣播標(biāo)識”，保證每次廣播被唯一標(biāo)識，也能夠避免被其他節(jié)點(diǎn)多次轉(zhuǎn)發(fā)。如果在鄰居節(jié)點(diǎn)中未發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)就轉(zhuǎn)發(fā)該“路由請求”分組，直到“路由請求”分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或是到達(dá)知道去往目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)，當(dāng)“路由請求”分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或是知道去往目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)時，沿反向路由發(fā)送“路由應(yīng)答”分組。該路由協(xié)議不僅可以實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)間的單跳路由，也可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)多個中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的多條路由。

4 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。

圖2 無線傳感器探測節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)

從該電路結(jié)構(gòu)可以看出，如果打開電池和電源開關(guān)，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器則分別從井下臨時施工點(diǎn)周圍環(huán)境中采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?。從這兩種傳感器輸出的數(shù)據(jù)輸入到信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)輸入給單片機(jī)，由單片機(jī)對數(shù)據(jù)作模/數(shù)轉(zhuǎn)換、打包等進(jìn)一步處理后，將數(shù)據(jù)輸入無線通信模塊，無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，單片機(jī)同時由控制的狀態(tài)指示燈閃爍一次，無線通信模塊亦可將從信宿節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)輸入給單片機(jī)。

圖3所示為信宿節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)方框圖。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信宿節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)打開電源開關(guān)后，狀態(tài)指示燈亮，按信宿節(jié)點(diǎn)上的0號按鍵，從單片機(jī)輸出一個開始指令進(jìn)入輸入無線通信模塊，無線通信模塊將該指令發(fā)送出去。等待一段時間后，無線通信模塊將接收到的由無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，這時狀態(tài)指示燈滅，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送到顯示模塊顯示，同時送到儲存器儲存。當(dāng)有異常情況發(fā)生時，單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警。當(dāng)臨時施工點(diǎn)作業(yè)結(jié)束后，將USB接口與計(jì)算機(jī)相連，這時存儲器將記錄的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)。單片機(jī)將數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口輸入計(jì)算機(jī)，同時可將計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口輸入單片機(jī)中。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)與信宿節(jié)點(diǎn)的通信過程如圖4所示。

圖4 探測節(jié)點(diǎn)與信宿節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信流程

如果打開信宿節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)電源開關(guān)，按信宿節(jié)點(diǎn)的0號按鍵，信宿節(jié)點(diǎn)發(fā)送開始指令。無線傳感器節(jié)點(diǎn)收到開始指令后，由甲烷濃度傳感器和溫度傳感器從周圍環(huán)境采集瓦斯?jié)舛群蜏囟龋盘栒{(diào)理電路對采集的數(shù)據(jù)做預(yù)處理，再由單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、打包等處理，然后無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。無線通信模塊把數(shù)據(jù)包發(fā)送給信宿節(jié)點(diǎn)，信宿節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，由單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后顯示模塊顯示各無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的瓦斯?jié)舛?、溫度以及各無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作情況。同時存儲器記錄動態(tài)變化的瓦斯?jié)舛?，?dāng)瓦斯?jié)舛瘸藁蛴泄?jié)點(diǎn)失效時，報(bào)警電路立即報(bào)警。在無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作過程中，可以設(shè)定傳感器的采集頻率為1次/s，無線傳感器節(jié)點(diǎn)每發(fā)送/接收一次數(shù)據(jù)，狀態(tài)指示燈就閃爍一次。而信宿節(jié)點(diǎn)在接收/發(fā)送數(shù)據(jù)時，狀態(tài)指示燈則處于一亮一滅的狀態(tài)，當(dāng)關(guān)閉信宿節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)上的電源開關(guān)時，信宿節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)束工作。

井下臨時施工點(diǎn)結(jié)束工作后，通過信宿節(jié)點(diǎn)上的USB接口把數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)針對井下臨時作業(yè)點(diǎn)的實(shí)時安全監(jiān)測需求，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無檢測死角的大范圍監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具有組網(wǎng)靈活、數(shù)據(jù)傳輸量大、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)需要更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。如在甲烷監(jiān)測的基礎(chǔ)上增加瓦斯探測、聲光電氣熱探測、RFID人員檢測等傳感器探頭，從而構(gòu)成全功能的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

在設(shè)計(jì)初期必須保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低成本、低功耗，隨著開采過程的進(jìn)行，初期部署的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可能會轉(zhuǎn)換為采空區(qū)長期監(jiān)測系統(tǒng)，一般不可再次回收利用，因而必須做到低成本、低功耗。

最后需要強(qiáng)調(diào)的是，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須防爆、防潮，符合煤礦井下電氣設(shè)備通用要求，否則研制出的系統(tǒng)不宜在井下部署和使用。

［1］ 楊維，周嗣勇，喬華.煤礦安全監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(6):652-656.

［2］ 馬祖長，孫怡寧.大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，40(11):165-167.

［3］ 馬祖長，喬輝，孫怡寧.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2003(11):49-51.