（检测技术与自动化装置专业论文）基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统.pdf

i 摘 要 摘 要 近几年，煤炭企业的伤亡事故频频发生，成为构建和谐社会不能承受之重，当务 之急就是提高煤矿安全监测系统的技术水平。 无线传感器网络作为一个新兴的研究领 域，具有十分广阔的应用前景。本文提出了一种基于无线传感器网络技术的煤矿安全 监测系统，充分利用无线传感器网络的特点，并结合成熟的 can 总线通信技术，实 现对井下各种环境及生产参数全方位、实时监测和智能预警，以大大降低煤矿生产安 全隐患。 论文在前期的方案论证阶段，充分分析了国内外现有的各种煤矿安全监测系统， 通过分析各种煤矿监测的利弊， 证明了将无线传感器网络应用于煤矿的可行性和优越 性，并且通过对比各种应用于井下无线通信技术的特点，选择了 zigbee 作为无线传 感器网络的通信平台。针对井下的特殊环境，特别着重考虑了其电磁环境和电磁波传 播的频率特性，通过参考大量国内外成功方案，决定选择 915mhz 作为 zigbee 的工 作频率。 本文完成了基于 ip-link1221-2033 无线射频模块和 c8051fxx 系列 mcu 组成的 煤矿安全监测系统的通用通信平台的软硬件设计， 并在低功耗设计上也提出了一定的 见解。最后通过后期大量的实验，得到了模块在实际环境下的通信距离、天线辐射范 围等有价值的数据，并就调试过程中出现的一系列问题提出了若干建议。实验结果肯 定了该系统设计的可行性，及其系统良好的稳定性和可扩展性。 关键字：关键字：煤矿安全 无线传感器网络 zigbee mesh 低功耗 can 总线 ii abstract in recent years, the accidents which have occurred frequently in coal enterprises become an unbearable thorny problem for building harmonious society, so raising the technological level of coal mine safety monitoring system (cmsms) is an urgent affairs. wireless sensor networks (wsn), as a new field of research, has a broad application prospect. the thesis introduces a design scheme about cmsms, which takes full advantage of wireless sensor networks, combines can bus communication technique, so that whole orientation, real time monitoring and intelligent prediction of various environmental and operation parameters can be realized as to effectively avoid possible disasters caused by the gas, fire and so on. in the preliminary stage of the scheme planning, the thesis analyzes cmsms in domestic and abroad, various safety monitoring system being analyzed, the feasibility and superiority of wsn are proved to be preferable in coal mines. zigbee technique is chosen as the communication platform of wsn by comparing the features of various wireless communications technology used in coal mines. in view of the particular circumstances in coal mines tunnels, the thesis focus on the electromagnetic environment and the frequency of electromagnetic wave propagation characteristics in the tunnels. 915mhz is chosen as the frequency of zigbee by reference to a large number of successful applications of domestic and foreign schemes. in this thesis, the software and hardware design of communications platform for cmsms has been accomplished, which based on ip-link1221-2033 rf modules and c8051fxx mcu. some ideas on low-power design are presented. finally, a great deal of valuable data, such as communication distance and antenna radiation range and so on, has been obtained by a lot of experiments, and a number of suggestions about some problems in hardware assembling, coding and debugging have been raised. above all, the feasibility of the system design and its satisfying stability and expandability has been confirmed. iii keywords：mine safety wireless sensor networks zigbee mesh low-power can bus 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪论 1 绪论 煤炭是国内能源供应的支柱，以煤为主的能源格局在近 20 年内都不会改变。安 全是煤炭生产的头等大事，安全对煤炭生产起着保证、支撑和推动作用，煤矿安全 生产同时也是国家安全生产的重要组成部分。近来年，国内煤矿安全生产工作取得 巨大的成就，但国内煤矿安全生产面临的形势、机遇和挑战以及构建和谐社会的宏 伟目标等方面，又对煤矿安全生产提出了更高的要求。从满足国内经济快速增长对 煤炭资源需求不断增加的需要和保障国家能源安全的高度上，来认识煤矿安全生产 的重要性和艰巨性。实施科技兴国、科技兴煤、科技兴安战略，建立煤矿安全生产 的长效机制，是国内煤矿安全生产工作的必由之路。 1.1 研究背景 1.1.1 煤矿安全形势 1.1 研究背景 1.1.1 煤矿安全形势 近几年来，国内煤炭行业，特别是省属国有煤炭企业，通过国家支持和企业自 身的努力，装备水平、生产条件等方面都比过去得到了一定的改善和提高，但与国 内先进水平比，与不断提高的行业技术标准比，与国家不断提高的安全要求比，在 技术水平、装备水平等方面仍然存在着一定的差距，有的煤矿、有的方面甚至还存 在着较大的差距。客观地评价国内煤矿的安全生产，总体水平还比较低，主要表现 在以下五个方面1 。 一是煤矿自然条件差，灾害多。国内大多数煤矿地质条件复杂，生产环境恶劣， 容易引发重大事故，给安全生产带来极大的困难。煤矿瓦斯大，煤与瓦斯突出越来 越严重，危险性增加。国内所有煤矿均为瓦斯矿井。在 100 个国有重点煤炭生产企 业的 609 处矿井中，高瓦斯矿井占 26.8%，煤与瓦斯突出矿井占 17.6%，低瓦斯矿井 占 55.6%。部分局矿的情况更为严重，如淮南煤业集团公司所属 11 对矿井均为突出 矿井，平顶山煤业集团公司所属的 13 对矿井也全部为高瓦斯或突出矿井。随着开采 深度的不断增加，瓦斯涌出量不断加大，煤与瓦斯突出危险也不断增加，高瓦斯突 2 出矿井数量也在增加。 二是煤矿数量多，大、中、小并存，差异大。国内煤矿数量多，超过世界上其 他主要采煤国家的煤矿总数。截止 2002 年底，全国共有各类煤矿 26395 处，国有重 点和国有地方煤矿 2704 处，乡镇煤矿 23691 处。按矿井能力划分，大中型煤矿 532 处，占煤矿总数的 2.01%，小型煤矿 25863 处，占 97. 99%。这些数据充分反映出国 内煤炭生产分散，生产集中度过低，大多数小煤矿安全生产技术与装备水平低下、 抗灾能力差，给安全生产管理带来困难。 三是现代化程度低。直接作业现场机械化、自动化程度低，大部分煤矿生产基 本还是劳动密集型， 人海战术。 2002 年， 原国有重点煤矿的采煤机械化程度 75.43%， 综采机械化程度 59.42%，综掘机械化程度 15.03%。而原国有地方煤矿和乡镇煤矿机 械化程度普遍较低，全国平均采煤机械化水平还不到 40%。 四是安全装备水平低。2002 年统计，原国有重点煤矿有 35 处高瓦斯突出矿井没 有按煤矿安全规程的要求配备瓦斯抽放装备，47 处高瓦斯和突出矿井没有装备 瓦斯监控系统，占高瓦斯突出矿井总数的 17%。现有煤矿多数矿的监控系统装备不 全，尚未实现网络化管理，部分设备功能落后。44 处自燃发火危险的矿井，尚未建 立防灭火系统。66 处矿井尚未建立防尘供水系统，占矿井总数 13%的煤矿需要更换 防尘供水管路。不少的矿井没有安设防隔爆设施，既使配备了隔爆设施的矿井，设 置的数量少，没有达到安全规程的要求。相当一部分原国有重点煤矿的甲烷传感器、 便携式甲烷检测仪、光学甲烷检测仪、甲烷断电仪等必备的安全仪器仪表配备不足。 有 164 处矿井 50%以上的电气设备超期服役。 数量众多的小煤矿安全装备水平更低， 有的根本不具备防御灾害的能力，多数小煤矿仍旧沿用落后淘汰的电气设备，电气 防爆性能差，失爆率高。一旦发生事故，容易酿成群死群伤。 五是从业人员素质低。上世纪 90 年代，由于国内煤炭全行业都相当困难，造成 了专业技术人才的大量流失。国有煤矿生产一线作业人员有的是由农民工转成的合 同制工人，有的工程直接包给外委队。小煤矿现场作业人员基本上都是农民工，整 体文化水平低、素质差，缺乏自我保护意识和能力。许多企业又不进行岗前安全培 训，违章作业现象严重2。许多小煤矿经营者没有基本的安全生产管理技术知识，不 3 懂安全，不管安全，不顾安全。据 2000 年的调查，30 万吨以上大中型煤矿中，初中 以下文化程度占 62.67%，大专以上只占 5.44%，高级工程技术人员占 0.3%. 30 万吨 以下小型煤矿中，中专以上职工平均每矿不到 3 人。另有资料表明，在现代化大型 煤炭企业中，拥有大学本科以上学历的人数仅占职工总数的 2.93%。 目前，国内煤矿的安全管理主要是由管理人员凭主观意志和经验进行工作，管 理技术和手段落后。这种管理模式，由于受管理人员的知识、经验和责任心的限制， 很难适应矿井灾害事故的复杂多变条件，这也是煤矿灾害事故多发的原因之一。 1.1.2 无线传感器网络 1.1.2 无线传感器网络 无线传感器网络(wireless sensor networks，简称wsn)综合了传感器技术、嵌入 式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和 采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送到这些信息的用户。无线 传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，已经引起了学术界和工业界的 高度重视。被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一3。 无线传感器网络由许许多多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每一个 传感器节点由数据采集模块(传感器、 a/ d 转换器)、 数据处理和控制模块(微处理器、 存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、dc/ dc 能量转换器) 等组成(如 图1 所示)。 节点在网络中可以充当数据采集者、 数据中转站或类头节点(cluster - head node) 的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度)， 传感器节点通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(base station)或汇节 点( sink node)；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数 据，将其转发给离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点；作为类头节 点，节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节 点4。 与传统ad hoc 网络相比， 无线传感器网络具有一些明显的特征： (1)网络节点密 度高，传感器节点数量众多，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的ad hoc网 络；(2)传感器节点由电池供电，节点能量有限；(3)网络拓扑变化频繁；(4)网络应具 4 备容错能力。 针对无线传感器网络的技术特点，一项新的技术标准在2002 年被提出并不断被 更新和完善，并获得了广泛的支持，这就是zigbee技术。 zigbee 使用 2.4 ghz 波段，采用扩频技术。与蓝牙技术相比，zigbee 更简单、 速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是 250kb/s，当降低到 28kb/s 时，点对 点传输范围可扩大到 134m，并获得更高的可靠性。另外，它可与 255 个节点联网， 可以更好地支持环境复杂、数据节点密集的工业监控、传感器网络、安全系统领域。 zigbee拥有一套非常完整协议层次结构， 由ieee 802.15.4和zigbee联盟共同制订 完成，其设计目标是通用性强、低功耗、低成本和低复杂度。 无线传感器网络可以被广泛应用在军事和民用领域，特别适用于那些设备成本 较低，传输数据量较少，使用电池供电并且要求工作时间较长的应用场合。如在工 业控制中，许多大型设备需要对关键部件的技术参数进行监控，以掌握设备的运行 情况；在环境监测中，可以监测大气成分的变化，从而对城市空气污染进行监控； 在医疗方面，可以在病人身上安置传感器，让医生可随时远程了解病情。此外，无 线传感器网络在智能家居、智能精耕农业、智能办公环境等方面也可一展身手。 同样在井下安全监测系统中，无线传感器网络也有广阔的发展空间，作为数据 采集与传输的平台将得到广泛的应用。 国外在无线传感器网络研究方面起步于 20 世纪 90 年代末期，比如美国军方的 c4kisr 计划、smart sensor web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群以 及网状传感器系统 cec 等； 民用方面有 intel 的 “基于微型传感器网络的新型计算 机发展计划”所研究的智能微尘(smart dust)等等。 目前无线传感器网络技术已经得到的较为广泛的应用，在市场中已不乏有许多 成熟产品，例如海尔的“e 家佳”智能家电标准中特别提到了 zigbee 无线技术的应 用，并且利用该技术研制成功了“无线通”燃气热水器，实现了燃气热水器的穿墙 无线遥控； 山西平阳重工机械有限责任公司选用赫立讯 ip-link 系列无线模块成功推 出了一套停车咪表诱导系统，该系统现已被广泛应用于全国许多城市的主要街道； 2006 年 9 月，夏普推出无线门禁系统，该系统可安装在大门的猫眼上、用相机拍摄 5 来访者图像并将图像传送到起居室屏幕上的无线系统， 该系统也是利用 zigbee 技术； 赫立讯公司按照 zigbee 联盟定义的灯光无线控制规范，设计出了一套完整的灯光控 制系统，保证与各个生产厂家的相关产品可以互联互通，系统示意图如图 1-1 所示， 部分名词解释如表 1-1。除了上述各种应用外，还有许多演示系统，例如餐馆点菜系 统、消防及追踪系统、无线定位系统等等，市场广阔。 图 1-1 灯光控制系统示意图 表 1-1 图 1-1 中名词解释 名称 功能 无线网络功能 说明 机 械 及 无 线 开 关 （sw1） 、 （sw2） 四路灯光开关控制 网络协调器 sw1与sw2具有相同功能， 只是无线模块的属性不同。 无线灯光亮度调节器 （d） 无线灯光亮度调节 网络路由器 调节器与被控灯具之间为无 线连接。 无线遥控器（rem1） 、 （rem2） 四组灯光开关控制及 亮度调节 网络终端设备 rem1和rem2具有相同功 能，需要电池供电。 无 线 亮 度 感 测 器 （sensor） 亮度感测器 网络终端设备 演示感测器与sw1关联。 6 但是专门针对煤矿安全方面的无线传感器网络，国外文献中报道的很少，更缺 乏广泛应用的成功技术。 1.1.3 煤矿信息化及数字煤矿 1.1.3 煤矿信息化及数字煤矿 随着信息科学技术的快速发展和经济发展的稳步前进，信息技术逐步广泛应用 于社会的不同领域，信息化与网络化成为各行业数字化的重要基础手段，在企业应 用中起到十分重要的作用。如何充分有效地利用各类信息资源进行科学决策、指导 生产，已受到现代企业领导和决策者的关注。在煤矿企业应用中，不同的专业部门 已经具有或正在开发相应的信息管理系统，形成一定的信息化规模。但是煤矿地理 信息系统的研究相对薄弱、部门系统开发相对孤立，没有形成统一的信息化标准体 系和共享机制，也没有完全为煤矿信息的一体化管理提供技术支持，导致煤矿信息 化与网络化工作相对迟缓。总体上，煤矿信息化水平不高，没有形成企业信息化产 业规模优势，信息基础设施相对落后。 “数字煤矿”是以计算机技术、多媒体技术和数据库技术为基础，以网络技术为 纽带，运用3s技术和虚拟现实等技术实现多源煤矿信息的采集、输入、存储、检索、 查询与空间分析，并实现空间信息的多方式输出和联机决策分析处理。 “数字煤矿” 是传统煤矿专业技术、计算机技术和3s技术等发展与结合的产物，它涉及的理论与 技术都是当前信息技术发展的前沿。系统研究不仅需要已有的理论和技术支持，同 时还需从更高层次和一体化系统集成的角度来组合和应用全新的理论和技术，从而 更广泛地为煤矿信息化与现代化管理、决策提供服务56。 1.2 国内外煤矿安全监测系统现状 1.2 国内外煤矿安全监测系统现状 国外将许多高新技术运用于煤矿安全方面，应用新的技术可以极大的减少事故 发生的几率，即使发生事故，也可提高遇难人员存活的几率。 目前国外煤矿安全监控系统普遍采用的先进技术：(1)红外瓦斯传感器；(2)在线 瓦斯浓度校正装置；(3)本安型plc分站的应用；(4)传感器就地断电功能；(5)现场总 线在安全监控系统的应用；(6)数字通讯方式，国际标准的ip寻址方式，tcp/ip网络 7 协议；(7)与生产监控系统的互动和网络整合。 国外主要的监测系统有英国minos瓦斯监测系统德国tf-200瓦斯监测系统、波 兰cmm-20m瓦斯监测系统、美国scada 瓦斯监测系统等。minos 监测系统是英 国有代表性的先进监测系统，它能对井下环境进行连续监测包括低浓度瓦斯 (0%3%)、高浓度瓦斯(0%100%)、瓦斯抽放系统、负压、风速、风压和烟雾及粉尘。 tf-200监测系统是yf-24系统的更新产品，主要有低浓度瓦斯、高浓度瓦斯、风速等 传感器。传输方式是调频，传输通道数是52个传输距离为1842km。 cmm-20m监测 系统适合于小煤矿，可配接20个测点采用监测各测点的参数。scada监测系统为集 中监测系统，i/o接口是4个串行调制解调器是1200bit，半双工。 国内监测监控技术应用较晚，80 年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等 （如 dan6400、tf200、minos 和 senturion-200）引进了一批安全监控系统，装备 了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合国内煤矿的实际情况，先后研 制出 kj2、kj4、kj8、kj10、kj13、kj19、kj38、kj66、kj75、kj80、kj92 等监 控系统，在国内煤矿已大量使用，大致系统结构图如图 1-2 所示。 实践表明，安全监控系统为煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用，各局 矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能 和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。 因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老旧 系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。 随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各 主要科研单位和生产厂家又相继推出了 kj90、kj95、kj101、kjf2000、kj4/kj2000 和 kjg2000 等监控系统，以及 msnm、webgis 等煤矿安全综合化和数字化网络监 测管理系统7。 但是现有的煤矿安全监测系统主要以联网监测为主体，其主要由监测终端、监 控中心站、通信接口装置、井下分站、传感器组成。主要方式是在矿井下固定的地 方安装各种监测传感器，再通过很长的电缆把测试到的数据传到煤矿上面的控制室， 但是井下采矿作业面广，线长，作业环境复杂，数据采集或监控的网点多，要求数 8 据传输可靠性、安全性高，并且敷设线缆成本高。 图 1-2 国内现有煤矿安全监测系统系统图 随着国内信息化技术的发展以及煤矿安全管理要求的提高，如何实现煤矿特别 是井下管理的现代化和信息化，已经成为煤矿企业需要迫切解决的问题。而信息化 系统的建立，必须基于信息化网络的基础上。现有的煤矿管理、监控系统主要以有 线网络为主，存在布线复杂、安全性差等问题，且由于各个系统自成一体，在通信 协议上和信息交换上标准不一，难以实现综合信息的集成、融合和决策，而近些年 来无线网络技术的发展，为建立井下通畅、可靠的无线网络提供了可能。 9 1.3 课题研究意义及研究内容 1.3.1 课题的研究意义 1.3 课题研究意义及研究内容 1.3.1 课题的研究意义 针对本课题的研究首先，对完善现有煤矿安全监测系统有着重要的意义，可以 与有线网络监测相互补充，实现井下安全监测的无缝覆盖，并且可以跟随采掘面同 步延伸，减少了步线难度，降低了成本，提高了数据的安全性和稳定性。其次，随 着课题研究的深入，对煤矿智能监控管理有着实际的意义，在无线传感器网络平台 上搭建各种不同类型的传感器及监测设备，不仅对环境量，如高浓度甲烷气体、低 浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、负压、温度、岩煤温度、顶板压力、 烟雾等，进行监测，并且扩展到井下生产监控，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、 供电电流、功率等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、 磁力起动器运行状态和参数等。最后利用数据融合等技术智能管理风机转速来调节 温度与瓦斯浓度，并且对各种数据进行分析对各种参数进行预测等并且可以实现对 人员定位与追踪，平常可以作为人员管理，如果发生灾害也可以对工作人员更好的 实施援救等。 诚然，如今国内各大、中、小型煤矿陆续在安装煤矿安全监测系统，但是存在 投入时间较长，系统采用技术落后等原因，如系统通信接口落后、传输速率低、巡 检时间长、传感器技术落后等，并且只能井下对井上单向传输，只能起监测作用， 不能实现对现场设备进行实时控制，并非真正的安全检测监控系统。因此，随着社 会的发展进步，现在对煤矿安全监测系统的要求日益提高。如前所述，煤矿安全监 测是该技术的主要应用领域。与其他国家相比，国内煤矿开采的煤层大多属于石灰 岩二迭纪的煤层。这个时期煤层的特点就是瓦斯含量大、煤层透气性低，在开采前 抽放瓦斯很不容易。因而国内煤矿高瓦斯矿井占多数。这种高瓦斯矿井的地质构造 复杂，断层多，地应力大，煤层受到搓揉破坏严重，在采掘中，瓦斯容易放散，在 一定的条件下会产生煤尘和瓦斯的突然喷出现象，极易形成瓦斯爆炸事故8。因此， 研究和开发高灵敏度，快速安全稳定的煤矿安全监控系统对于提高国内煤矿安全水 平，遏止矿难发生有极其重要的意义。 10 1.3.2 课题主要工作及研究内容 1.3.2 课题主要工作及研究内容 本课题主要工作是针对煤矿煤矿安全监测系统的现状及发展趋势，阅读了大量 文献及资料，以煤矿的安全生产为目的，初步完成了用于煤矿安全监测的mesh形无 线传感器网络平台及can总线通信的软硬件设计与实现，由于时间有限，在传感器 搭配上现只应用于瓦斯监测，待通信平台开发完成之后逐渐完善其他功能。 硬件部分工作包括瓦斯传感电路、zigbee模块电路、mcu控制电路、can总线 接口电路等的原理图设计、pcb制板、焊接和调试；软件部分工作包括监控中心人 机交互界面、无线通信软件的开发与调试，传感器节点数据采集、数据处理，最后 对系统进行了功耗测试，证明了设计的网络节点满足无线传感器网络低功耗要求。 因为 zigbee 相关技术刚完成了从标准到市场推广的前期阶段，所以利用其作为 煤矿安全监测无线传感器网络的通信平台仍然有许多技术难题需攻克。本项目主要 研究内容有： (1)井下无线传感器网络体系结构设计 电磁波在矿井巷道中传播衰耗严重无线通信距离短，已成为制约有效实现矿 井巷道中无线通信的瓶颈问题，如何解决这一问题是有效构建全矿井无线传感器网 络安全监测系统的关键。 经过参阅大量国内外文献研究及模拟井下巷道通信实验，本文提出了利用 zigbee通信技术，在2.4g频段，采用mesh形网络结构建无线传感器网络。 (2)无线传感器网络低功耗设计 由于无线传感器网络部分节点由电池供电，系统必须采用低功耗设计。低功耗 的设计是综合硬件和软件技术。在瓦斯无线传感器节点中，要保证系统的低功耗， 必须在使用低功耗芯片的同时通过硬件和软件的结构设计使系统低功耗。 测试结果表明，设计的系统是可行的，工作稳定性好，通信效率高，可扩展性 好。煤矿安全监测系统只是无线传感器网络众多应用中的一个方面，国外在各方面 的研究已走在前列，而国内还处于起步阶段，因此，开展对无线传感器网络的应用 研究有着十分重要的意义。 11 2 系统整体方案设计 2 系统整体方案设计 传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有现 代意义的无线传感器网络的产生和发展。 无线传感器网络涉及众多学科， 成为目前it 领域中的研究热点之一9。 构建一个智能化的煤矿安全监测系统是当前无线传感器网络应用研究的一个新 兴方向，随着国内全面建设小康社会的目标及建立和谐社会的规划，煤矿安全已经 成为人们普遍关心的热点问题，并且直接影响到国家国际形象。本文介绍一种超低 功耗的无线传感器网络节点与利用can总线连接的固定节点相结合的煤矿安全监测 系统设计。 2.1 系统方案概述 2.1 系统方案概述 设计目的旨在利用无线传感器网络和can总线技术，对井下环境及生产数据进 行全方位、实时监测和智能预警，将各种参数值采集到pc机并进行分析处理，将结 果显示到pc界面上，以便于用户观察。如遇参数异常， 传感器节点能在现场进行声 光报警，pc界面报警窗口闪烁显示。 整个系统由无线传感器网络节点、can总线有线通信网络以及监控中心组成。 无线网络传感器节点按照功能分两类：简单功能设备(rfd)和全功能设备(ffd) 和网络协调器(pan)，rfd设备主要用于简单的控制应用，ffd设备除了简单应用之 外还带有路由等功能，在网络中，还有一个网络协调器(pan coordinator)是无线传感 器网络中的主控制器，除了参与应用之外，还要完成成员身份管理，链路状态信息 管理以及分组转发等任务9； 根据是否经常移动可以分为固定数据采集节点和移动数 据采集节点两类。相对固定的节点主要安排在巷道的拐弯处或直巷道的固定位置， 用于采集巷道瓦斯浓度、转发其他节点的通信数据，保持无线链路的畅通和传感器 网络的强壮性。因此大多固定节点为全功能器件和网络协调器；固定节点用can总 线等工业总线连接，一方面解决传感器节点能量受限的问题，另一方面可以减少网 络拓扑的能量消耗，再者也可以在原有的瓦斯检测系统的基础上升级，减少成本投 12 入。移动接点主要用语每个作业人员或作业机器所处位置的监测，可以安装在煤矿 工人的矿灯上，也可以安装在矿车、挖掘机等机械设备上，还可以随机安装在瓦斯 涌出变化较快的关键位置。 监控中心主要由can总线适配器与pc机组成，用于收集、分析、显示和监测井 下各种传感器数据的状态等，系统总图如图2-1所示。 地面监测人员 地面监测中心 图示： 可移动的无线传感器节点 固定的与can总线连接 的无线传感器节点 can总线骨干线路 无线通信信道 采掘工作面 水平巷道 垂直巷道 监测区域 簇1 簇2 簇3 簇4 簇5 簇归属区 图2-1 煤矿安全监测系统结构图 从网络拓扑结构细节上看，整个网络的节点按照图2-2的方式传递数据。 13 全功能设备 （ffd） 精简功能设备 （rfd） 通信信道 网络协调器 数据管理终端 图示： 图 2-2 传感器节点工作示意图 2.2 技术路线与分析 2.2 技术路线与分析 本煤矿安全监测系统方案主要设计特点是无线传感器网络与现场总线相结合的 设计，应该其技术特点主要是围绕传输方式来进行的，采用不同的传输方式，其通 信网络拓扑结构、通信软件和终端设备等等都是不一样的。 2.2.1 总体方案与现有有线方式监测系统的对比分析 2.2.1 总体方案与现有有线方式监测系统的对比分析 近年来国内相继研制出一批煤矿监控系统和地面工业集中控制系统，出现了集 环境、安全监测监控、煤矿生产监控、胶带监控、瓦斯抽放泵站监控、信息管理于 一体的多功能综合性监测监控系统，技术水平有较大提高。 国内煤矿有线监控系统主要大致分为以下几类： (1) 采用集散式监控，以主从式体系结构、时分制通讯为主流技术，主要有 rs232、rs485、fsk 和 dpsk 几种通讯方式。国内现有大多少煤矿均采 用该监测方式。rs485 作为一种多点差分数据传输的电气规范被应用在 14 许多领域。但是 rs485 总线效率低，系统实时性差，单总线可挂接的节 点少，应用不灵活等缺点，制约了整个监控系统的发展10。 (2) 采用 adsl、isdn 等技术，该系统是一种经济型的煤矿监控系统，在井 下各数据采集，同时进行调理，调理后的信号传输给数据采集卡，再利 用电话线和 adsl、isdn 技术，将数字信号再上行传输到井上的 pc 机 进行处理，处理后的信号若发现井下有异常利用电话通知井下人员及时 采取安全措施，但是该系统存在拨号难、易断线等不稳定特性11。 (3) 采用电力线传输技术，采用直序列扩频技术，该系统具有机械强度高、 不易受外力破坏的优点，从通信角度看，作为信息传输媒介不需要专门 架设和维护，而且投资小，可靠性高12。 (4) 采用现场总线技术，结合中小型煤矿监控系统实际，比较适用的现场总 线是 can 总线。can 的多主结构、理论无限的节点容量(不存在物理站 点编号问题)，位仲裁的总线分配、介质访问技术、额定最大速率 1mbps 的传输速率及在 5kbps 速率下可无中继传输 10 km 的传输距离等特点。 都非常适用于煤矿井下安全监控系统的组成特点和传输要求13。 (5) 采用工业以太网技术，所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网(即 ieee802.3 标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、 适用性以及实时性等方面能满足工业现场的需要。简言之，工业以太网 是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。该系统易于与 internet 连接，能实现办公自动化网络等优点，在技术速度和价格等许多方面都 具有其它网络无可比拟的优势14。 (6) 多层网络结构煤矿监测系统，新型矿井宽带快速反应综合监控系统采用 了高速工业以太网主干+现场 can 总线传输网，传感器、控制器、末端 监控设备、监控子系统等现场设备有多主现场总线设备层，通过网关接 入设备和防爆交换机接入设备都可方便接入高速主干传输网14。 由此可见，利用现场总线、工业以太网技术具有其它工业控制系统网络相比， 有应用广泛、成本低廉，通信速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大的特点， 15 随着技术的进步，使用工业以太网、现场总线作为煤矿现场监测控制系统将是工业 生产发展的必然选择。 但是可以看到井下的网络主要仍然由有线网络组成。该系统是一个以网络化为 中心的安全监测系统、由地面监控中心、软件系统、网络系统、井下传输系统、井 下智能终端和各种矿用传感器组成。 在煤矿实际开采过程中，经常需要对某一地区进行试探性挖掘，由于形成的探 测巷长度事先无法预知，巷道随时可能废弃或者增加掘进深度，所以对于工业总线 而言，其扩展性，灵活性存在不足，容易造成资源的浪费，引起成本的提高；同时 铺设速度较慢，容易在建设初期形成安全上的盲点。 由于无线传感器网络的灵活性和极高的可扩展性，可将无线传感器网络作为煤 矿开采过程中尚未完全成型的巷道内的通信系统。随开采过程的深入，再根据实际 情况，选择是否在巷道内建设有线网络，以达到降低系统成本和有效利用资源的目 的。 因此利用无线传感器网络与有线现场总线相结合的方式更加适合煤矿安全监测 系统。 这些监控系统虽对改善国内煤矿安全生产状况起到了积极作用，但现有煤矿监 控技术的体系结构、通讯方式等，与煤矿现代化生产的需要之间存在较大差距，主 要表现在：监控系统体系结构亟待升级，安全和生产动态信息的传输缺乏高速、可 靠的系统平台；没有统一的技术标准和通信协议、生产、安全监控和各类灾害监测 子系统之间不能互联互通，数据、语音、图像不能有效集成，监控系统开放性和兼 容性不强；缺乏矿井瓦斯突出预测预报功能，不能有效指导安全生产。 2.2.2 总体方案与现有无线通信方式监测系统的对比分析 2.2.2 总体方案与现有无线通信方式监测系统的对比分析 目前，国内煤矿井下无线通信的主要方式有感应通信、漏泄通信、中频通信、 wifi、cdma、gsm、pas(小灵通)等15。 (1) 感应通信是用电磁感应原理实现通信，在巷道中敷设一条接地的感应传 输线，收发信机采用电磁耦合天线，通话时将天线靠在感应传输线上。 16 它与载波通信一样，感应通信杂音大，对环境中的电气噪音不易克服， 通话时耦合天线要十分接近感应线。 (2) 漏泄通信 (leaky feeder)技术是依靠在巷道中架设一条特制的同轴电缆， 每隔一段距离在电缆上开个槽孔16，使其周围形成一个连续的电磁波漏 泄场。通过漏泄场，移动收发信号与漏泄电缆之间实现双向可逆的耦合， 从而实现移动台之间或移动台与基站之间的远距离通信。虽然漏泄通信 技术较好地解决了井下移动通信的问题，但其缺点是：系统造价昂贵； 对条件恶劣的采掘工作面、掘进头等地，无法架设漏泄电缆，漏泄电缆 的耦合技术复杂，并制约着移动台的纵向移动距离。 (3) 井下中频无线通信是通过电磁信号耦合到井下巷道内的导电体中，并通 过导电体辐射出去。这种导电体就是信号的传输线和天线系统，当中频 信号在一根导体上传播时，将会耦合到附近的另一个导电体上，感应出 信号电流，导体相靠越近时，耦合到的信号越强。这样，巷道内的各种 导体通过导体间的感应原理形成了一个广泛的信号区域，从而实现井下 远距离的移动通信；当感应传输线路受损时，即使通信没有完全中断， 也会影响通信距离。 (4) medium frequency 中频网络：值得一提的是中频(300khz-3mhz)的一些 特性，这些频率的电磁波表现出一种叫做寄生传播的现象。这些频率的 信号能作类似泄漏电缆的传播，而不需要专门的电缆，但是传播的距离 受到多种因素的影响，并且系统的天线尺寸笨重。 (5) wifi 是基于 ieee802.11b 协议的无线局域网，使用 2.4hz 频谱并具有最 大 11mb 的带宽。在国内的无线传输协议 wapi 正式实施后，通过在主 巷道的无线接入点和工作面的无线网桥加入遵从 wapi 协议的加密措施 就可以达到 wapi 的要求。 (6) cdma、gsm、pas 均是现有商用无线通信系统，得到广泛应用。不但 支持语音服务，实验人员管理、定位等，还能搭载各种数据业务。但是 投入成本高、需要建立固定基站，无法与工作面同步。 17 典型的计算机无线局域网因具备较高的数据吞吐量，能够提供标准的数据接口 和易于数据共享等特点，被广泛的应用到各种信息化系统组网。但由于井下采矿作 业环境复杂，常规的无线组网方式并不能在井下得到有效的应用，因此，现有的方 案都是将移动通信技术例如 gsm、cdma、pas 或者 rfid 系统移植到地下坑道使 用，但这几种系统仍然存在成本高、网络覆盖范围小以及通信可靠性低等问题。 而采用无线传感器网络(wsn)，提供了一种廉价的固定、便携或移动设备使用 的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术，实际上是采用 ieee 802.15.4(zigbee)协议的新一代的无线传感器网络系统，是专门为控制数据的传输而 设计的，因而数据的传输能力强、可靠性高，且具有高度的灵活性和低成本的特点， 由于 zigbee 收发模块体积小，功耗低，很容易集成或直接安放在设备上或工作人员 的头盔上，随着 zigbee 技术的推广应用，采用该技术建立的无线网络适应了井下信 息化管理系统的功能要求，通过使用覆盖距离不同、功能不同的 zigbee 网络节点， 使用低成本的无线收发模块，能够建立起一个适应信息化管理系统的井下无线局部 网络。 2.3 井下电磁环境及频率选择分析 2.3 井下电磁环境及频率选择分析 无线传感器网络是本系统的重要部分，但是井下环境恶劣，巷道狭窄，巷道几 何形状不一，地面粗糙，坎坷不平，四周环绕着煤和炭石，还有支架、风门、钢轨、 动力线等，在这样一个复杂的有限空间内，无线电波的传播和自由空间大不一样。 给组建无线传感器网络带来一定的影响，为保证井下通信有效、畅通，必须对井下 的电磁环境与信道的传输特性进行定性的分析，要充分考虑井下地质和生产环境对 通信系统频率的影响因素，从而确定通信信号的最佳频率和抗干扰措施是非常必要 的17。 与地面相比，井下地质和生产环境对通信频率影响较大的因素有： (1) 衰减与频率的关系。矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低 频段、低频、中频的低端，随频率增大；衰减增大，在中频高端、高频 频段，衰减达到最大，30mhz 电波的衰减最大，最不利于传输；进入甚 18 高频后，衰减随频率上升而减小。 (2) 衰减与曲率的关系。衰减随着巷道曲率增大而增大，如 900mhz，对于 同样巷道壁。截面大小一样的巷道，平直时，传输距离可达 600m 左右； 当巷道弯曲 90o时，传输距离只有 300m。又如频率为 415mhz 时，直线 传输距离可以达 380m，而遇到拐角时只能达到 127m，可见有拐角的传 输距离一定小于直线的传输距离。对于平直而不受阻挡的巷道而言，频 率越高传输衰减越小，但当频率升高时，电波的拐弯能力变差，拐角处 的损耗增大，传输距离减小18。 (3) 衰减与粗糙度、倾斜率的关系。当电波在巷道中传播时，由于巷道壁的 粗糙与倾斜，将引起电波损耗。根据有关文献的理论分析和实验可知， 当频率较低时，粗糙所引起的损耗较大；当频率较高时，倾斜所引起的 损耗较大。 (4) 导体对无线传输的影响。由于纵向导体的导波作用，当巷道内存在动力 电缆、通信电缆、信号电缆、电机车架空线、铁轨、绞车钢丝绳、水管 等纵向导体时，矿井无线传输的衰减将减小，并且纵向导体与巷道的绝 缘性能越好，越位于巷道中央传输衰减越小。在中频、低频段纵向导体 的导波作用较大，中频段传输距离可达 2500m，随着频率的增高，纵向 导体的作用越来越小。在特高频及其以上频段，纵向导体的作用可以忽 略不计。 (5) 衰减与巷道断面的关系。根据文献19的理论分析和实验可知，巷道断面 大比断面小对通信更有利。 (6) 井下设备对无线传输的影响。井下设备较多、较复杂而且形状不一致， 无论是理论分析还是试验验证都较困难。目前较一致的结论是：机车对 无线传输的不利影响较大；木制风门对无线传输的不利影响较小，钢木 混合风门对无线传输的不利影响较大，而钢制风门可以阻断无线传输； 临时性风墙对无线传输的不利影响小，永久性风墙对无线传输的不利影 响大，并且随着频率的增高损耗增大；感应线对低频较为敏感，当频率 19 低于 10mhz 时，感应传输距离比自由传播大很多；当频率大于 100mhz 时，两者相差已不显著。 从上面的分析可知，在矿井内，对无线传输有利的条件是高传输频率，对无线 传输影响较小的是大的巷道截面积、巷道内的纵向导体，对无线传输不利的条件是 巷道的拐弯、分支、金属或混凝土制的风门、风墙、通过的电机车等。 通过对矿井无线传输特点的分析可以看出，特低频段、甚低频段、甚高频段、 特高频段衰减较小。如果选择特低频段和甚低频段，则要求发射机功率大，天线长 度长，会给煤矿工人的工作和行走带来极大的