劉志剛

(唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063020)

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云計(jì)算與無線傳感網(wǎng)絡(luò)在礦井瓦斯檢測中的應(yīng)用研究

劉志剛

(唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063020)

快速準(zhǔn)確地檢測礦井瓦斯涌出量并提前預(yù)警是礦井安全生產(chǎn)的重要保障。文章根據(jù)云計(jì)算和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一種基于云計(jì)算和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井瓦斯檢測預(yù)警系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)井下瓦斯數(shù)據(jù)的采集，而分散的、復(fù)雜的預(yù)測模型計(jì)算交由云端處理，不僅可以更快速、更準(zhǔn)確地測得瓦斯?jié)舛?，而且簡化了現(xiàn)場檢測設(shè)備。

云計(jì)算；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；礦井；瓦斯檢測預(yù)警系統(tǒng)

0 引言

煤層瓦斯又稱煤層甲烷，是一種儲(chǔ)存于煤層中及鄰近巖層中的自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣。據(jù)相關(guān)報(bào)道，我國由瓦斯爆炸引發(fā)的礦難在每年發(fā)生的礦難中占絕大多數(shù)。對(duì)煤層瓦斯涌出量進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、可靠的檢測對(duì)于避免瓦斯爆炸礦難、減少礦工人員傷亡、降低經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義，是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保障。

隨著科技的發(fā)展，越來越多的科技手段不斷融入煤礦安全生產(chǎn)和煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)之中。云計(jì)算是一種基于Web的服務(wù)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域廣為應(yīng)用，將繁瑣、復(fù)雜的模型計(jì)算交由配置更先進(jìn)的云端處理成為一種發(fā)展趨勢，云端共享成熟的預(yù)測模型軟件服務(wù)，能為各企業(yè)節(jié)省硬件成本，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置。煤炭生產(chǎn)企業(yè)只需通過符合標(biāo)準(zhǔn)的方式接入云系統(tǒng)即可將資源切換到需要的應(yīng)用上，而無需購買網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、服務(wù)器等硬件設(shè)備，也不必構(gòu)建自己的數(shù)據(jù)中心，不僅可節(jié)約大量成本，同時(shí)能提高企業(yè)的安全生產(chǎn)系數(shù)[1]。

1 整體設(shè)計(jì)方案

目前少數(shù)煤礦企業(yè)對(duì)瓦斯氣體的檢測采取由專人手持檢測設(shè)備每班定時(shí)多次檢測的方式，或在井下安裝有線瓦斯監(jiān)測設(shè)備。手持設(shè)備由于體積大、成本高，無法實(shí)現(xiàn)每人隨身配備；而有線檢測設(shè)備需隨著井下開采不斷調(diào)整設(shè)備的線纜，井下開采的復(fù)雜環(huán)境給有線檢測設(shè)備的安裝帶來諸多不便。為此筆者提出一種基于云計(jì)算、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多技術(shù)融合的礦井瓦斯檢測預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于云計(jì)算、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井 瓦斯檢測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此系統(tǒng)的操作特點(diǎn)是：由檢測人員用手持無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備或在某些特定的采樣點(diǎn)安裝無線傳感器節(jié)點(diǎn)來采集瓦斯?jié)舛戎?。無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)將瓦斯?jié)舛刃畔⒔?jīng)路由節(jié)點(diǎn)匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器通過串口把數(shù)據(jù)存放于各被測節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上。每個(gè)煤礦開采企業(yè)可能有一個(gè)或多個(gè)被測節(jié)點(diǎn)，圖1所示的系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)被測節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，開采企業(yè)的中央控制室(簡稱中控室)可以實(shí)時(shí)收到各被測節(jié)點(diǎn)上大量的樣本數(shù)據(jù)參數(shù)，供企業(yè)管理人員參考。與此同時(shí)，中控室服務(wù)器通過Internet將樣本數(shù)據(jù)參數(shù)傳送到云端。云端計(jì)算機(jī)根據(jù)各采樣節(jié)點(diǎn)采集到的瓦斯?jié)舛葮颖緮?shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和計(jì)算，經(jīng)過基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(或其他人工智能算法)的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測控制算法，對(duì)各被測節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行分析，快速、準(zhǔn)確地得出被測礦井瓦斯的涌出量，并將預(yù)測值返回給企業(yè)。此系統(tǒng)可最大化發(fā)揮各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使資源得到合理配置，并對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)、設(shè)計(jì)建設(shè)產(chǎn)生重要的影響。

2 硬件設(shè)計(jì)

Zigbee技術(shù)是近些年新出現(xiàn)的WAN通信技術(shù)，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。

Zigbee協(xié)議棧符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和MAC層技術(shù)規(guī)范。Zigbee的傳感器終端節(jié)點(diǎn)包括瓦斯檢測傳感器、8051 CPU、CC2530射頻模塊、ADC、USART等，支持Zigbee協(xié)議棧。圖2為礦井瓦斯檢測無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖。

圖2 礦井瓦斯檢測無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

瓦斯?jié)舛瓤墒褂么呋紵綒饷粼頇z測[2]，經(jīng)CC2530內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換送入8051CPU，無線射頻模塊發(fā)送到無線協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由企業(yè)服務(wù)器經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳入云平臺(tái)。終端節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖3，圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5為礦井瓦斯檢測協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖。系統(tǒng)在完成軟硬件初始化后開始建立新的網(wǎng)絡(luò)，掃描各信道，當(dāng)有傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)的路由節(jié)點(diǎn)為其選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符從而建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳至云計(jì)算平臺(tái)計(jì)算機(jī)，往復(fù)循環(huán)。

無線傳感終端節(jié)點(diǎn)部分主要程序如下：

void GenericApp_Init(byte task_id){GenericApp_TaskID=task_id；//任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行初始化(任務(wù)優(yōu)先級(jí)由協(xié)議棧的操作系統(tǒng)OSAL分配)。GenericApp_NwkState=DEV_INIT；//初始化設(shè)備狀態(tài)為DBV～I(xiàn)NTT，表示該節(jié)點(diǎn)沒有連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

GenericApp_TransID=0；//初始化發(fā)送數(shù)據(jù)包的序號(hào)為數(shù)據(jù)包，該發(fā)送序號(hào)自動(dòng)加1(協(xié)議棧里面的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)會(huì)自動(dòng)完成該功能)，接收端由接收數(shù)據(jù)包的序號(hào)計(jì)算丟包率。

GenericApp_epDesc.endPoint=GENERICAPP_ENDPOINT；

GenericApp_epDesc.task_id=&GenericApp_TaskID；

GenericApp_epDesc.simpleDesc1.=(SimpleDescriptionFormat_t)&GenericApp_SimpleDesc；

GenericApp_epDesc.latencyReq=noLatencyReqs；

afRegister(&GenericApp_epDesc)；}//使用afRegister函數(shù)將節(jié)點(diǎn)描述符進(jìn)行注冊。

圖3 礦井瓦斯檢測無線傳感器節(jié)點(diǎn)CC2530模塊原理圖

圖4 礦井瓦斯檢測無線傳感器節(jié)點(diǎn)外部接口原理圖

UINT16 GenericApp_ProcessEvent(byte task_id，UINT16 events)//消息處理函數(shù)。

{afIncomingMSGPacket_t*MSGpkt；

if(events & SYS_EVENT_MSG){MSGpkt=

(afIncomingMSGPacket_t*)osal_msg_receive(

GenericApp_TaskID)；

while(MSGpkt){

圖5 礦井瓦斯檢測協(xié)調(diào)器 與終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖

switch(MSGpkt->hdr.event)

{case ZDO_STATE_CHANGE：

GenericApp_NwkState=(devStates_t)(MSGpkt->hdr.status)；

//讀取設(shè)備類型。

if(GenericApp_NwkState==DEV_END_DEVICE)

{GenericApp_SendTheMessage()；}//對(duì)設(shè)備類型進(jìn)行判斷，如果是終端節(jié)點(diǎn)，那么就執(zhí)行GenericApp_SendTheMessage()函數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)。break；default：break；}

void GenericApp_SendTheMessage(void){AF_DataRequest(&my_DstAddr，&GenericApp_epDesc，GENERICAPP_CLUSTERID，3，theMessageData，

&GenericApp_TransID，AF_DISCV_ROUTE，AF_DEFAULT_RADIUS)；}；//調(diào)用發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，操作系統(tǒng)會(huì)將該數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)消息，然后放入消息隊(duì)列中。每個(gè)消息都有自己的ID，根據(jù)switch(MSGpkt->hdr.event)，協(xié)調(diào)器查看有無數(shù)據(jù)接收消息，然后調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)[3]。

4 結(jié)語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于自身的特點(diǎn)可以方便地將井下開采時(shí)影響瓦斯涌出量預(yù)測的各物理參數(shù)采集、匯總，省去布線、安裝等諸多不便，使快速、準(zhǔn)確地預(yù)測井下瓦斯涌出量成為可能，大大降低由于井下瓦斯爆炸帶來的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。應(yīng)用基于云計(jì)算和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井瓦斯檢測預(yù)警系統(tǒng)，現(xiàn)場工作人員只需用手持移動(dòng)設(shè)備或在中控室即可將所需數(shù)據(jù)上傳，完成實(shí)際的預(yù)測工作。云計(jì)算與無線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的結(jié)合為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新思路。

[1] 李昊旻，盧建軍，衛(wèi)晨.基于云計(jì)算的煤礦安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究[J].工礦自動(dòng)化，2013，39(3)：46-48.

[2] 安小翠.基于ZigBee和以太網(wǎng)的礦井安全檢測系統(tǒng)硏究[D].太原：太原理工大學(xué)，2012.

[3] 王小強(qiáng)，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：59-60.

(責(zé)任編校：李秀榮)

The Application of Cloud Computing and Wireless Sensor Network in the Detection of Coal Mine Gases

LIU Zhi-gang

(Department of Mechanical and Electrical Engineering， Tangshan University， Tangshan 063020， China)

Rapid and accurate detection of the mine gas emission is essential for the safety production in coal mines. Based on the characteristics of cloud computing and wireless network technology， the author of this paper puts forward a mine gas detection and alarm system， in which a wireless sensor network is applied to obtain the gas data， and the dispersed and complex prediction model calculation is committed to the cloud. This system is characterized by fast and more accurate measurement of the gas concentration and simple equipment.

cloud computing； wireless sensor networks； mine； gas detecting and alarm system

劉志剛(1979-)，男，河北唐山人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)測控研究。

TD76；TD712

A

1672-349X(2016)03-0061-04

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2016.06.016