張明罡

摘要：近年來(lái)，通訊技術(shù)飛速發(fā)展，推動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。煤礦是我國(guó)能源需求的主要供應(yīng)品，煤礦的安全關(guān)系到國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文就重點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以期滿足我國(guó)煤礦安全監(jiān)控的發(fā)展需求，通過(guò)高效的監(jiān)控，保證煤礦生產(chǎn)效率的提高。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);煤礦;安全監(jiān)測(cè)

前言：煤炭是我國(guó)拓展能源的主要供給品，長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦的安全一直得不到較良好的保障，礦難隨之頻繁發(fā)生。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年發(fā)展比較迅速的監(jiān)管系統(tǒng)，對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)管模式來(lái)說(shuō)，無(wú)線傳感器則在網(wǎng)絡(luò)精度、容錯(cuò)性和可靠性方面比較占有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定位功能，提高救援效率。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)介

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱WSN，其融合了現(xiàn)代三大先進(jìn)技術(shù)，分別是傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，三者承擔(dān)著對(duì)其信息的采集、處理和傳輸?shù)闹匾饔?，同時(shí)，三者發(fā)展促進(jìn)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的誕生。通訊裝置就組成了一個(gè)整體，將傳感、執(zhí)行、控制、計(jì)算與通訊能力結(jié)合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中?？梢宰龅綄?shí)時(shí)、實(shí)地、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)監(jiān)測(cè)，并且對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行采集、歸納、分析和總結(jié)，隨后傳遞給其他收集者[1]。

目前，在當(dāng)代各個(gè)領(lǐng)域?qū)o(wú)線傳感器都有較廣泛的運(yùn)用，如：農(nóng)業(yè)、軍事及醫(yī)療等，作為新時(shí)代網(wǎng)絡(luò)新型系統(tǒng)，具有非常顯著的特點(diǎn)，如：動(dòng)態(tài)性、可靠性及其規(guī)范性等。

1.1組成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由四個(gè)部分模塊組成，分別是傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、外部網(wǎng)絡(luò)以及用戶界面。傳感器節(jié)點(diǎn)分布在感知區(qū)附近從而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將采集信號(hào)進(jìn)行傳輸，傳輸過(guò)程中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)可對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，后匯集到結(jié)點(diǎn)，再由節(jié)點(diǎn)將信號(hào)傳輸?shù)教幚碇行摹?/p>

1.2體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)包括中心網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)兩種。傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō)網(wǎng)絡(luò)體系是帶有中心網(wǎng)絡(luò)，指的是已有的網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)需事先 配置好網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，隨后進(jìn)行安裝，從而形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可通過(guò)有線或無(wú)線方式進(jìn)行連接。

這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配成為通訊子網(wǎng)，在蜂窩覆蓋的范圍之內(nèi)便可放入數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析節(jié)點(diǎn)中，處理后輸入到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

1.3特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有以下幾種特點(diǎn)：

第一，大規(guī)模。傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模包括兩方面含義：一方面，是傳感器節(jié)點(diǎn)分布時(shí)，遇到極大地理區(qū)域內(nèi)，需部署大量傳感器節(jié)點(diǎn);另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署及其密集，在小面積空間內(nèi)，密集部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)。

第二，自組織。在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常傳感器會(huì)被放在沒(méi)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方內(nèi)，在使用過(guò)程中，部分傳感器會(huì)由能量消耗或環(huán)境造成失敗，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)隨動(dòng)態(tài)而增加或減少，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨動(dòng)態(tài)而變化。

第三，動(dòng)態(tài)性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)因四種因素發(fā)生改變：第一種環(huán)境因素或電能耗盡造成傳感器故障。第二種環(huán)境變化都有可能造成無(wú)線通信鏈路帶寬變化，也會(huì)導(dǎo)致時(shí)斷時(shí)通。第三種傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知對(duì)象和觀察者及傳感器三種要素都可能具有移動(dòng)性。第四種是新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)會(huì)要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)適應(yīng)變換。

第四，可靠性。傳感器網(wǎng)絡(luò)需要有通信保密性和安全性，防止有人盜取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。

第五，以數(shù)據(jù)為中心。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。例如在應(yīng)用目標(biāo)跟蹤的傳感網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，跟蹤目標(biāo)可能隨時(shí)出現(xiàn)在任何地方，對(duì)其感興趣的用戶會(huì)關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的時(shí)間及其位置，不會(huì)關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)目標(biāo)。然而實(shí)際在目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，會(huì)由不同的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行提供目標(biāo)位置。

2煤礦安全監(jiān)控中對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用

2.1WSN方案的制定

針對(duì)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)存在時(shí)發(fā)生的問(wèn)題，有效解決技術(shù)問(wèn)題，提出WSN安全監(jiān)控方案，在礦井內(nèi)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)置，距離為幾十米。此時(shí)，同礦井的工作人員應(yīng)攜帶終端設(shè)備，在此基礎(chǔ)上，促進(jìn)無(wú)線傳感子網(wǎng)形成，同時(shí)借助協(xié)調(diào)器方可實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備或控制服務(wù)器的鏈接。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中可應(yīng)用WSN技術(shù)，為保證優(yōu)勢(shì)顯著，則內(nèi)容如下：

第一，需有較長(zhǎng)的通信距離。本系統(tǒng)對(duì)于煤礦的監(jiān)測(cè)會(huì)達(dá)到一百二十米左右時(shí)，在礦井下距離得到解決之后，監(jiān)控系統(tǒng)可靠性才可達(dá)到大幅度的提高。

第二，進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集。本系統(tǒng)在進(jìn)行時(shí)會(huì)對(duì)礦井中各個(gè)信息的采集具有實(shí)時(shí)性，從而更加保證了多種信息的高效轉(zhuǎn)發(fā)與處理。

第三，多種節(jié)點(diǎn)功能，通過(guò)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，獲得定位參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員的精準(zhǔn)定位，此時(shí)，在基礎(chǔ)上，果斷為事故的搜救奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

第四，進(jìn)行功耗與成本的降低。本系統(tǒng)存在較短工作周期，對(duì)功耗的要求偏低，此時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的用量與日俱增的條件下，價(jià)格在逐漸下降。

第五，良好的擴(kuò)展性。本系統(tǒng)對(duì)無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性應(yīng)用，通過(guò)其路由節(jié)點(diǎn)的增加，方可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和范圍內(nèi)的擴(kuò)展，同時(shí)需具有良好的移動(dòng)性及維護(hù)的便捷。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)中是由四個(gè)方面構(gòu)成，地面監(jiān)控中心、光纖骨干網(wǎng)、無(wú)線監(jiān)控分站及無(wú)線傳感器。纖骨干網(wǎng)是該系統(tǒng)的主要傳輸載體，無(wú)線監(jiān)控子系統(tǒng)將被其分散布置且有效的連接在一起，從而最終實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感覆蓋整個(gè)礦山[2]。

本系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用表現(xiàn)分為以下幾種：

第一，感知、轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)的無(wú)線傳感器，分散在煤礦井下采掘巷道，各種數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信匯集到區(qū)域監(jiān)控分站。

第二，各個(gè)分站對(duì)本區(qū)域匯集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后會(huì)通過(guò)光纖骨干網(wǎng)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，從而通過(guò)監(jiān)控中心主機(jī)進(jìn)行處理，后對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及環(huán)境信息進(jìn)行全面解析。

第三，對(duì)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中的突發(fā)事件應(yīng)進(jìn)行及時(shí)處理和預(yù)警，無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)終結(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中的基本單元，更負(fù)擔(dān)著數(shù)據(jù)的采集與傳送等。

2.2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要是根據(jù)煤礦的安全需求，充分考慮其生產(chǎn)時(shí)的實(shí)際安全要求，其中，關(guān)鍵的幾個(gè)部分包括環(huán)境模塊、生產(chǎn)監(jiān)控模塊和中心主站控制模塊。

在環(huán)境模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)煤礦井下的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括氧氣、甲烷氣體、一氧化碳等。同時(shí)，要對(duì)巖煤溫度及煙霧等進(jìn)行具體的分析，保證其處于合理狀態(tài)，避免井下作業(yè)人員安全受到危害。

生產(chǎn)監(jiān)控模塊中，井下生產(chǎn)包含諸多環(huán)節(jié)及因素，有煤倉(cāng)煤位、水倉(cāng)水位、供電的電壓、供電電流。在此，需要對(duì)主要生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行較嚴(yán)格的監(jiān)控，其中包括排水水泵、提升機(jī)、采煤器、膠帶輸送機(jī)等。

地面控制中心主控系統(tǒng)依靠計(jì)算機(jī)信息技術(shù)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)檢索，對(duì)井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)信息處理分析，生成環(huán)節(jié)報(bào)表，形成更完整的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，一旦現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境出現(xiàn)了安全生產(chǎn)變化，則會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，從而采取針對(duì)性的對(duì)策進(jìn)行及時(shí)處理，為生產(chǎn)的安全提供了有效保障。

2.2.2煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

這項(xiàng)技術(shù)采取了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，有效地形成了煤礦安全生產(chǎn)時(shí)的綜合監(jiān)控體系，具體表現(xiàn)在，對(duì)井下生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)不同的環(huán)境及其生產(chǎn)信息進(jìn)行狀態(tài)分析，準(zhǔn)確、安全的進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)控。

當(dāng)某一項(xiàng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出其安全的范圍后，本系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以便快速采取解決措施。該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)無(wú)人操作，同時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，為井下生產(chǎn)安全提供了絕對(duì)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，大幅度提高了煤礦生產(chǎn)的安全技術(shù)水平。

結(jié)論：綜上所述，通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的分析，又結(jié)合煤礦安全的體系內(nèi)的多種要求，從而設(shè)計(jì)出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)，將這種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在煤礦監(jiān)控體系中，使其更好地服務(wù)于煤礦安全的監(jiān)測(cè)，從而減少礦難的事故發(fā)生，使煤礦開(kāi)采時(shí)可以更加安全的進(jìn)行。

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