矿井监测传感器

2024-06-29

矿井监测传感器（精选7篇）

矿井监测传感器篇1

煤炭是我国重要能源之一, 也是各行业的基础燃料。随着我国经济的飞速发展, 对于煤炭的需求也与日俱增, 随之而来的是煤矿开采规模的加大、对井下工作人员的需求增多, 致使井下的安全系数及保证井下工作人员的安全问题已经不容忽视。近几年我国对煤炭行业的安全生产也越来越重视, 我国由于地质条件限制, 煤炭的开采主要以井下为主, 一个矿井深达几百米, 要想解决井下的安全生产问题, 实现矿井的安全调度和通信保障是首要问题。因此, 煤矿安全成为一个亟待解决的科学问题, 研究出能减少甚至消除矿井灾害的最新现代化安全技术手段十分迫切, 以保证煤炭安全生产和保障国家对煤炭资源大量需求的供应, 对矿井安全智能监测WSN系统总体结构采用的Zig Bee无线电技术、传输路由协议和定位算法三个关键技术进行了研究。

1 矿井安全智能监测WSN系统总体结构

基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统在继承了无线传感器网络的自动感知、自动组网、多跳中继传递等特性的同时, 充分考虑到了煤矿井下的实际情况。如图1、图2所示, 该系统主要由以下五个部分构成:

1.1 移动无线传感器网络节点

由井下矿工携带, 电池供电, 带有探测瓦斯浓度等环境质量监测传感器, 具有无线传输数据的功能, 并在环境监测数据超标时自动报警。每个移动节点提供一个唯一的编号, 用以确定携带者的身份、位置等信息。

1.2 固定无线传感器网络节点

按一定的间距固定在支巷道道壁上, 具有环境数据和无线传输数据的功能;并在环境监测数据超标时自动报警。每个固定节点的位置需要在计算机数据库中备案, 以此为固定坐标点用以确定运动节点的坐标位置。

1.3 基站接收机节点

安装在主巷道内, 接收固定式无线传感器网络节点的数据, 并通过通信电缆将数据传输给信息收集数据库服务器。

1.4 信息收集数据库服务器

收集处理数据, 将数据储存到数据库, 并随时向监控部门提供及时准确的井下环境数据。

1.5 监控台

监控人员操作台, 以图形方式实时监测井下全部无线传感器节点, 显示每个节点当时的环境参数, 具有瓦斯超限报警等环境超限报警功能。

2 Zig Bee无线电技术

Zig Bee是目前在煤矿企业安全监测系统中广泛使用的无线电技术, Zig Bee技术在应用初期主要在军事领域。后来对Zig Bee技术进行整合和相关衍生技术的开发, 现在已经广泛地应用于灾难检测、能源监测等方面。其主要特点包括下面几个方面:

2.1 功耗低且数据传输稳定

Zig Bee技术将工作过程分成工作模式和休闲模式。在工作模式下Zig Bee技术的传输速率较低, 数据量也会比较小, 因此信号的收发时间就会比较短。而在非工作模式下, 有关Zig Bee的节点就会呈现休闲状态, 即进人了休闲模式。因此能够节省大量的电力, 一节碱性电池就能够使用数年。而且在MAC层, 采用了冲突避免机制, 提升了信息数据传输的可靠性。

2.2 容量大, 兼容性好, 且安全性高

Zig Be。技术的使用非常简单, 而且也支持简单器件。一个Zig Bee技术的网络能够包括255个Zig Bee的网络节点, 如果在这个网络里采用了网络协调器, 那么就能够支持65535个网络节点。而且这个网络技术能够和现有的有线互联网和无线互联网无缝集成, 极大地促进了Zig Bee的广泛应用, 而且Zig Bee还支持基于128位的加密算法, 从而提升了数据传输的安全性。

2.3 成本造价低, 工作频段设置灵活

因为Zig Bee技术的网络协议相对及暗淡, 其有效的覆盖范围在10~75 m, 使用频段能够在2.4GHz, 868 MHz, 915MH, 这3个频段上免费使用, 正是如此, 现在很多煤矿企业在选择无线电技术时, 采用的是Zig Bee技术, 特别是井下的特殊环境, Zig Bee技术凭借着3个重要特点, 无疑成为首选的无线电技术。

Zig Bee嵌入在监测传感器上的应用架构, 如图3所示。

3 WSN井下安全监测数据传输路由协议

煤矿井下的WSN路由协议比传统的路由协议更注重能量均衡问题, 众多针对能量均衡问题研究的WSN路由协议中, 主要包括对节点能耗进行被动调整和对节点能耗进行主动调整2种方式。被动调整方式主要包括以低功耗自适应集簇分层型协议, 这类协议采用周期性对簇首进行选举来解决能耗不均问题;通过综合节点的剩余能量和其他参数来周期性地选择簇头。这些算法共同的问题是当节点出现能耗不均的情况后才采取措施实现能量均衡。主动调整方式主要包括利用非均衡分簇的思想来解决能量均衡问题, 从而延长网络的生存周期;根据节点剩余能量的大小竞选簇首, 然后以簇首与Sink节点的距离为参数计算簇半径, 从而组织不同规模的簇, 并采用多跳路由的方式实现数据转发。

通过对煤矿采空区的特征研究发现, 采空区面积较大, 长度较长, 宽度较窄, 呈不规则的狭长带状结构, 传感器节点采集的信息均从采空区内部向采空区巷道口传输, 然后通过巷道口的Sink节点传送到地面的通信及管理设备。这种结构造成应用于煤矿采空区的WSN具有不同于一般应用的特点: (1) 采空区是无人可达区域, 传感器节点一旦部署将难以获得能量供给, 因此, 需要优先考虑延长网络生存期。 (2) 采空区的长度通常超过几千米, 而且部分采空区可能会出现冒落、塌陷, 造成节点消失, 使传输路径中断, 因此, 应该在采用多跳通信方式的同时, 利用多路径机制保证数据传输的可持续性。 (3) 采用多跳通信方式, 所有的数据都需要通过采空区巷道口的节点转发, 因此, 靠近巷道口的簇应该规模小, 数量多, 而且簇内节点数量少;远离巷道口的簇应该规模大, 数量少, 而且簇内节点数量多, 从而达到均衡负载的目的。 (4) 为避免簇首过早死亡, 应该采用轮流担任原则, 同时在考虑剩余能量的基础上, 还应考虑传感器节点与Sink节点的距离, 保证距离Sink节点较近且能量较高的传感器节点成为簇首。因此, 对于煤矿采空区的WSN路由协议的研究应该充分考虑以上4个方面的特点, 并更多地注重能量均衡从而达到延长网络生存期的目的。

4 结语

在对矿井安全智能监测WSN系统总体结构设计的基础上, 分析了Zig Bee无线电技术在煤矿企业安全监测系统中广泛使用与对WSN井下安全监测数据传输路由协议进行了多方面的研究。而国内对于无线传感器网络的研究才起步较晚, 并在无线传感器网络方面的研究工作还不多, 但是随着研究的深入, 该理论无论在国家矿井安全还是在国民经济等方面都将有更广泛的应用前景, 对整个国家的社会、经济都将有重大的战略意义。

参考文献

[1]陈林星.无线传感器网络技术与应用[M].北京:电子工业出版社, 2009.

[2]Karl H, Willig A.无线传感器网络协议体系结构[M].北京:电子工业出版社, 2007.

[3]吴瑾, 潘启勇, 王宜怀.基于MC13213的单芯片Zig Bee平台的物理层协议研究与实现[J].微型机与应用, 2010, 29 (23) :61-65.

[4]李毅治.基于Zig Bee协议的无线传感器网络网络层协议栈的设计和实现[D].南京:东南大学, 2007.

[5]周武斌.Zigbee无线组网技术的研究[D].长沙:中南大学, 2009.

[6]徐军委。下一代互联网中无线传感器网络协议理论与技术的研究[D].合肥:中国科学技术大学, 2007.

[7]崔逊学, 赵湛, 王成.无线传感器网络的领域应用与设计技术[M].北京:国防工业出版, 2010.

矿井监测传感器篇2

近年来, 煤矿事故发生连续不断, 由于煤炭生产主要在地下作业, 工作环境比较恶劣, 如工作区域狭窄、照明差、潮湿, 存在有害气体等很多不安全因素。在矿井环境监测中通常需要对矿井温度、湿度、粉尘、坑壁压力、各种气体浓度等参数进行检测。现有的监测系统需要在矿井内设置有线通信线路传递监测信息。但是, 随着生产过程中矿井结构的不断变化, 坑道空间变得狭窄, 通信线路的延伸和维护实现起来就变得复杂, 而且如果线路发生故障, 整个监测系统就可能瘫痪。所以, 改进井下的有线通信系统, 分析设计无线通信网络系统对矿井内环境的监测, 预防矿井事故的发生具有重大的意义。

1 矿井无线传感器网络结构

现有的用于矿井监测的传感器设备大都采用光缆、电力线缆或信号线缆等有线方式传输信号。这种有线布置方式布线繁琐、安装维护成本较大, 矿井一旦出现事故, 特别是发生爆炸事件时, 传感器设备及线缆往往会受到致命的破坏, 无法为援救工作提供及时的信息。

构建矿井环境下的无线传感器网络WSN (Wireless Sensor Network) [1], 在井下监测区域内布置若干传感器节点, 实时采集矿井内的瓦斯浓度、坑壁压力、粉尘和温湿度等环境信息, 然后通过节点内部的嵌入式系统对数据进行处理, 节点间通过无线通信形成自组织网络以中继多跳的方式传递监测信息, 最后传输到井口的汇聚节点。汇聚节点连接传感器网络和外部网络, 如Internet, 实现通信协议之间的转换, 并把收集的数据转发到外部网络上, 传到远程的监控终端。相比传统的有线网络通信方式, 布置井下的无线传感器网络具有成本低、可靠性高、易于维护等优点。

分析设计的井下无线传感器网络拓扑结构平面图如图1所示。

考虑到需要实时监测井下坑道壁的压力, 防止坑道坍塌, 所以, 把传感器节点固定在坑道壁上。为了本文中采用的节点定位机制易于实现, 在井下的作业环境区域中尽量按照等距离的间隔布置传感器节点, 覆盖整个监测区域。此外, 为了防止某些节点因受损等因素而失效的情况, 在满足节点和网络覆盖范围的条件下, 布置节点时还要考虑多加入若干冗余节点。

2 矿井无线传感器网络节点的设计

应用于井下的无线传感器网络节点分为两种:普通的传感器节点和汇聚节点, 如图1所示。这两种节点的内部结构大致上是相同的, 都是由传感器单元、处理器单元、无线通信单元和能量供应单元四个部分组成。无线传感器网络中的节点内部体系结构如图2所示。

2.1 节点硬件平台

处理器单元是整个节点设计的核心部分, 所有的设备控制、任务调度、能量计算和通信协议、数据的整合处理过程都是在这个模块中完成。井下无线传感器网络使用的无线通信协议是支持IEEE802.15.4标准的ZigBee协议。在节点的设计中, 根据节点设计尽量满足低功耗、低成本、稳定性、集成度高和速度快等因素的要求, 本文选用Chipcon 公司的CC2430芯片, 该芯片集成了处理器和无线通信模块。

以CC2430芯片为核心的节点硬件平台架构如图3所示。

2.2 节点的软件系统

本文设计的矿井下无线传感网络节点的软件系统包括嵌入式操作系统﹑通信协议和定位机制三个部分组成, 可归纳为面向系统层和面向用户层两大部分, 如图4所示。

2.2.1 操作系统

目前应用于无线传感器网络节点的操作系统主要有两种。一种是移植现有的嵌入式操作系统, 如Linux, uCOS-II, uClinux等。在移植这种操作系统时, 必须根据节点的应用, 对操作系统的内核进行相应的裁剪, 使得这种嵌入式的操作系统实现起来相对简单, 在有限的节点资源上能够正常运行。

另一种操作系统, 是专门设计用于无线传感器网络的操作系统。比如加州大学伯克利分校研究设计的TinyOS[2]操作系统。这种操作系统有助于提高传感器网络的性能, 发挥硬件的特点, 降低节点功耗, 而且简化了应用的开发。本文设计的矿井下无线传感器网络节点就是采用TinyOS操作系统。

2.2.2 通信协议

无线传感器网络的数据通信协议包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。

物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口, 提供物理层数据服务和物理管理服务。MAC层协议决定无线信道的使用方式, 在传感器节点之间多点通信时协调分配有限的无线通信资源, 对传感器网络的性能尤其是降低功耗方面有很大的影响。本文设计的节点MAC层采用基于竞争的S-MAC (Sensor MAC) 协议[2]。S-MAC协议是在802.1MAC协议基础上, 针对无线传感器网络节能的需求而提出的专门用于传感器网络的MAC协议。S-MAC协议采用周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式, 控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点的能量。

网络层是完成节点之间的路由建立、维护过程。在井下无线传感器网络中, 节点能量有限而且没有能量补充, 所以路由协议需要高效利用能量。本文设计的节点采用基于查询的定向扩散DD (directed diffusion) 路由机制[3]。井口的汇聚节点接受远程监控终端的查询指令, 然后采用洪泛式把查询指令传播到覆盖所有传感器节点的井下监测区域, 在传播的同时, DD路由协议逐跳的在每个节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度。最后, 节点把采集到的数据沿着梯度方向传送到汇聚节点。

2.2.3 节点定位

井下节点的位置信息对区域环境的监测非常重要。当监测到的环境数据出现危险信号时必须要能够知道发出该信号的节点的具体位置, 才能够避免事故的发生。节点的定位, 是指根据少数已知位置的节点, 按照某种机制确定自身的位置。只有在节点自身确定了位置后, 才能够确定传感器节点监测到的事件发生的具体位置。

本文设计的井下无线传感器网络节点的定位机制采用距离向量-跳段DV-Hop (distance vector-hop) 算法[2,4]来实现。DV-Hop算法, 是一种基于信标节点的跟距离无关的定位。为了DV-Hop算法的易于实现, 在使用这种节点定位之前, 先规定两个前提条件:第一, 在监测区域内的众多节点中, 存在少部分节点位置是确定的, 即信标节点;第二, 在布置节点时尽量使单跳节点间的距离相近, 这样可以减少结果的误差。现以图5的节点分布图为例说明DV-Hop算法的具体应用。

(1) 计算未知节点与每个信标节点的最小跳数

信标节点B1, B2, B3分别向其邻居节点广播自身位置信息的分组, 包括跳数字段, 初始化为0。未知节点A接收到分组信息后记录到信标节点B1, B2, B3的跳数值分别为3, 2, 3, 节点A与B2的跳数最小为2。

(2) 计算未知节点与信标节点的实际跳数段的距离

信标节点B1, B2, B3分别根据第一个阶段中记录的来自其他信标节点的位置信息和相距跳数, 然后用式 (1) 估算平均每跳的实际距离。

HopSizei= $\frac{\sum_{j \neq i} \sqrt{(x_{i} - x_{j})^{2} + (y_{i} - y_{j})^{2}}}{\sum_{j \neq i} h_{j}} (1)$

其中, (xi, yi) (xj, yj) 是信标节点i, j的坐标, hj是信标节点i, j (j≠i) 之间的跳数。本文中设计的节点坐标, 以井口地面所在的截面为平面坐标系, 坐标系的原点在井口位置。在图5中, 我们以B2计算平均每跳的距离, 这里假设B1 B2和B2 B3之间的跳段距离分别为210m和375m, 这样, 平均每跳的距离为 (210+375) / (3+5) =73, 那么未知节点A与信标节点B1, B2, B3之间的距离分别为B1:3×73=213, B2:2×73=146, B3:3×73=213。

(3) 用三边测量法计算节点的自身位置

三边测量法计算节点A的位置为:

$[\begin{array}{l} x_{A} \\ y_{A} \end{array}] = [\begin{matrix} 2 (x_{B 1} - x_{B 3}) & 2 (y_{B 1} - y_{B 3}) \\ 2 (x_{B 2} - x_{B 3}) & 2 (y_{B 2} - y_{B 3}) \end{matrix}]^{- 1} [\begin{array}{l} x_{B 1}^{2} - x_{B 3}^{2} + y_{B 1}^{2} - y_{B 3}^{2} + d_{B 3}^{2} - d_{B 1}^{2} \\ x_{B 1}^{2} - x_{B 3}^{2} + y_{B 2}^{2} - y_{B 3}^{2} + d_{B 3}^{2} - d_{B 2}^{2} \end{array}] (2)$

根据已知的信标节点B1, B2, B3的坐标和第二阶段得出的未知节点A与B1, B2, B3三个信标节点的跳段距离dB1, dB2, dB3, 由式 (2) 即可以求出未知节点A的坐标, 找到其位置。

3 矿井无线传感器网络节点的能量问题

传感器节点体积微小, 一般是携带能量有限的电池供电。如何高效地使用节点的能量来最大化整个网络的寿命是无线传感器网络关键的问题。本文从节点的覆盖范围、数据传输和数据聚合三个方面来讨论如何降低节点的能量消耗。

3.1 节点的覆盖范围

在井下无线传感器网络中, 节点分布密集。因此, 可以采用节点交替“活动”和“休眠”的节能覆盖策略。网络中的一些节点在不参与数据处理和通信传输时, 可以让这些节点处于休眠状态。因为节点在活动时的能源消耗比休眠时要多15倍, 而且节点在这种间断性交替工作方式中能量的消耗速度大约是连续性工作时的2倍[5], 所以, 节点“活动”和“休眠”的交替工作方式可以延长电源的工作寿命, 有序地安排节点的活动是一种延长网络寿命的重要方法。在这种方法中, 节点被安排在某种特定的时间活动或休眠, 这样网络中一些活动节点来处理所要求的任务, 同时其他节点进入休眠状态, 以此来延长整个网络的寿命。

3.2 节点的数据传输

由于节点的能量限制和网络覆盖范围大, 无线传感器网络采用多跳路由的传输机制。

此外, 还可以通过以下方法降低数据通信传输过程中的能量消耗。

(1) 调整节点的传输范围来控制能量。在这种技术中, 每个节点都有能力把自身的能量水平在0到可能的最大值之间进行调整。通过使用这种技术发现一种机制来调节每个节点的能量, 以此最小化整个网络的能量消耗, 同时整个网络仍然能够很好地处理分配的通信任务。

(2) 对于无线传感器网络, 没有一种固定的或者预先定义好的网络结构, 因此, 这就严重影响了节点的通信方式和网络拓扑的维护。根据无线网络中物理主干的启发, 很多研究人员一直在研究创建一种有效的移动虚拟主干[6]。在虚拟主干网的帮助下, 路由变得简单, 而且能够很快地适应网络拓扑结构的改变。此外, 使用虚拟主干能够减少通信阻赛和简化网络连接管理。

3.3 数据聚合

传感器网络中数据量大而且有些数据的关联度高, 通过数据聚合的方法进行数据处理需要尽量地减少节点传输到基站的数据总量。在这方面, 有两种方法来降低功耗:

(1) 减少数据传输量。近年来研究提出了许多基于数据聚合的数据压缩方法, 把来自多个节点的数据进行聚合, 它们具有同样的事件属性, 而且在传送到基站的路径中经过同样的路由节点。

(2) 减少参与传输数据的节点的数量。这种降低功耗的方法实际上和第一种方法是互补的。为了减少参与传输数据的节点的数量, 一种方法是基于高度的数据关联超图建立一个连通的支配集[7]。这种方法需要找出最大数量的最小连通关联支配集, 这样每个集合可以为整个网络重建数据。此外, 这种方法还需要采用高度的关联数据聚合技术。

4 结论

由于井下恶劣的通信环境, 矿井下无线传感器网络节点在进行无线通信时还会受到很多因素的影响, 尤其是噪声干扰和电波衰落等, 严重影响了矿井下无线传感器网络的实际应用。本文中, 关于节点的设计, 还存在一些问题, 因为井下的干扰因素比较多, 设计节点时需要改进已有的用于无线传感器网络节点的通信协议, 比如ZigBee协议;其次, 尽管DV-Hop定位机制对于井下大规模的无线传感器网络实现起来简单, 但它是利用节点间的跳段距离来代替直线距离的, 这样存在一定的误差, 这些还需进一步研究。

参考文献

[1]任丰原, 黄海宁, 林闯.无线传感器网络.软件学报, 2003, 14 (7) :1282-1291.

[2]孙利民, 等.无线传感器网络.北京:清华大学出版社, 2005.

[3]姚兰, 桂勋, 王保强.无线传感器网络路由协议的研究和仿真.计算机应用与软件, 2006, 23 (9) :128-130.

[4]Bulusu N, Heidemann J, Estrin D.GPS-less low cost outdoor localiza-tion for very small devices.IEEE Personal Communications, 2000, 7 (5) :28-34.

[5]Benini L, Castelli G, Macii A, Macii E, Poncino M, Scarsi R.A Dis-creteTime Battery Model for Hige-Level Power Estimation.Processing ofDATE, 2000:35-39.

[6]Ma Chi, Yang Yuanyuan, Zhang Zhenghao.Constructing battery-awarevirtual backbones in sensor networks.Parallel Processing, 2005.ICPP2005.International Conference on.Publication Date:14-17, June2005:203-210.

矿井监测传感器篇3

目前我国很多从事井下安全监测系统研发的企业基本上都采用的是射频识别 (RFID) 技术, 由矿工人员携带RFID电子标签, 通过设置在矿井入口以及井下重要关口的射频读卡器对经过的矿工人员进行记录来获得他们的行踪。这种监测系统实际上更类似于一种考勤系统, 不具备真正意义的监测功能。现有的基于RFID技术的监测系统有两种终端:无源被动型及有源主动型。前者不需供电电源, 靠接收并储蓄基站发射的能量向读卡器发射自己的ID信息。该类型的终端成本虽然很低, 但通信速度较慢、距离较近。后者须自备供电电池, 能主动的向外发射信号, 通信速率和距离较前者都有提高。这两种类型监测系统通信时各自基站之间以有线方式为主, 该有线通信方式在远距离传输数据时速率较低。由于大量用到连接电缆, 安装复杂施工不便, 加上建设覆盖全矿井的基站这些都增加了系统造价。

2 无线传感器网络技术

2.1 无线传感器网络的定义

无线传感器网络 (WSN) 是由大量布置在目标区域内的传感器节点组成, 这些节点体积小、低成本, 节点之间自组织形成一个能够进行无线通信的网络系统, 其目的在于协作的感知、采集和处理被监测区域中感兴趣的对象的信息, 并发送到监测中心。无线传感器网络的节点一般结构如下:

2.2 井下无线传感器网络的应用特点

2.2.1 规模大

为确保获取准确的信息, 待测区域内常常部署数目较大的传感器节点。表现在两方面:一是传感器节点的分布的区域可能很大, 另一方面, 在一个较小的待测区域中, 无线传感器网络节点的部署往往会很密集。

2.2.2 动态自组织性

井下的一些区域, 传感器节点的放置并没有基础结构, 加上环境因素、电能的消耗问题, 以及传感器新节点的加入, 都会造成网络的拓扑结构出现变化。因此, 为避免或减少这种因素, 要求网络的通信协议和软件系统具备高度的动态自组织能力, 可以独自实现管理、配置。

2.2.3 可靠性

一般来说, 无线传感器网络定位技术不仅要适用于极为恶劣和复杂的井下区域, 能应对突兀而来的破坏, 还要符合矿井下设备本质安全防爆要求, 节点要具有极高的可靠性, 不容易受到损害和引发井下事故。

2.2.4 以数据为中心

无线传感网络作为以数据为中心的网络。通过标号的方法来使用传感器节点。编号时遵循网络的通信协议, 由于节点的动态性, 传感网络和节点编号也是动态的。使用时, 节点编号与位置间没有本质的联系。要根据具体应用场景对传感器节点编号, 以提高采集数据的效率。

2.3 无线传感器网络的节点定位

在WSN系统的应用中, 节点位置的信息是必不可少的, 不能获得其位置信息的数据将失去意义。所以传感器网络的节点定位是其应用的关键技术。节点定位按是否测距分为两类:基于测距定位方法 (Range-Based) 、基于非测距的定位方法 (Range-Free) 。测距技术主要有:基于无线信号的到达时间 (TOA) 测距, 基于无线电信号强度 (RSSI) 测距, 基于超声波与电磁波到达时间差 (TDOA) 测距, 基于无线信号到达角度 (AOA) 测距。该类方法先测量出相邻节点间的实际距离或者方位, 再运用三角计算、多边计算、极大似然估计等方法确定位置。基于测距的定位精度高, 由于AOA、TOA和TDOA三种测距对传感器节点的技术要求较高, 目前还难以在矿井下实现这3种定位方式的广泛应用。而基于RSSI测距的定位方法对技术的要求不高, 容易实现, 是目前主要的井下测距定位手段。基于蜂窝小区识别 (Cell-ID) 的定位方法是最简单的非测距定位之一, 它通过无线节点间的网络连通性来感知待测节点的粗略方位。

本文根据井下复杂环境和现有技术条件提出一种具有较高精度的基于矿井通信系统的混合定位方法。

2.3.1 基于蜂窝小区标识的粗定位

借助井下通信系统估计目标的位置, 该方法根据大多数矿井巷道的条形结构, 将井下通信区域分成许多独立的链状排列的蜂窝制小区, 相邻小区间无缝相接, 每个小区有一个控制基站, 每个控制基站设有不同的小区编号, 当移动终端发射身份识别信息时, 可能处在多个相邻小区的通信范围内, 系统通过小区基站就可判定其大致位置。矿井下使用基于蜂窝小区标识的定位方法精度取决于基站的密度, 虽然硬件结构和算法简单, 但仅使用该方法仍只能粗略定位。

2.3.2 基于RSSI测距的细定位

采用RSSI定位方法进一步进行细定位。RSSI定位方法是通过已知发射功率的目标节点向多个参考节点发出无线电信号, 参考节点接收到信号并测出接收功率, 得到传播损耗, 然后用相关数学模型将信号传播损耗转化成距离, 通过多组测距实现定位, 由于这时参加定位的参考节点少, 简化了求解过程。因传感器节点本身就具有无线通信能力, 故这种方法容易实现。该混合定位的方法优势是结合了巷道链状结构特点, 粗定位弱化了对参考节点位置精度的依赖, 细定位的区域大大缩小了, 定位精度有一定提高。

3 Zig Bee无线组网技术

3.1 Zig Bee技术

根据煤矿应用的特点, 井下无线监测系统越来越多的采用Zig Bee技术。该技术是基于IEEE802.15.4标准的局域网无线通信协议。具有低功耗、低复杂度、低成本、短时延、近距离、高安全性、免执照频段等特点, 同时支持地理定位功能。Zig Bee还可由最多达65000个可以相互通信的无线数据传输模块组成一个无线数传网络, 每个数传模块相当于网络的一个基站;网络范围内相邻节点传输距离一般介于10~100m之间, 在增强发射功率和通过路由和中间节点后, 传输距离将达到更远。此外整个Zig Bee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

3.2 Zig Bee比RFID技术具有的优势

3.2.1无源RFID电子标签通信信号为近距离的应答方式, 有限的读卡速度无法处理多人快速通过读卡系统的问题。Zig Bee芯片比有源RFID电子标签的功耗和可达到的最远通信距离都有优势。

3.2.2 使用Zig Bee技术, 收发模块相同, 价格低廉。而RFID电子标签价格便宜, 但读卡器价格较高。

3.2.3 Zig Bee采用带冲突避免的载波侦听多路访问机制 (CSMA/CA) , 保证了一个节点在同一时刻只占用一个信道, 有效解决RFID技术由于信号碰撞问题导致的人员漏检。

3.2.4 使用RFID技术的基站之间须通过有线连接, 不能无线组网, 而Zig Bee系统的节点安装配置灵活, 整体无线自组网。

3.2.5 RFID通信系统一般只能传播自身ID等数据量有限的简单信号, 而Zig Bee较高的数据传输速率, 能增加和升级系统的一些其它功能.

3.3 Zig Bee网络拓扑结构

Zig Bee组网支持三种拓扑结构:星状结构、树状结构和网状结构, 如图2所示。

图中网络协调器为井下数据的最终收集节点, 具有路由能力的节点作为全功能设备, 精简设备仅具有网络接入和数据传输功能。基本的星状网是一个单跳系统, 适用于传感器节点覆盖范围较小的场面, 网络中所有节点与中心节点双向通信, 通信距离较近, 网络整体功耗最低;树状和网状结构是多跳系统, 树状结构适用在中心节点和无线传感器采集节点相距较远的场面, 其间通过具有路由功能的设备接力;网状结构中所有无线节点都可直接互相通信, 网状网的每个节点都有多条路径到达网关或其它节点, 网络中的节点可以选择最优路径及时将数据传送至中心节点, 因此它的容错性较高, 可靠性好。网状结构比星状网的通信距离远很多, 由于节点必须一直“监听”网络中路径的信息和变化, 所以功耗也更高。

实际的井下Zig Bee无线传感网络应用时根据巷道走向等具体环境一般采用多种拓扑结构混合组网, 混合网应在吸收网状网传输距离长和容错性好的优点的基础上尽可能具有星状网的简单和低功耗。实现井下监控系统管理的便利性、有效性和低成本。

4 井下监测系统的组成和工作过程

4.1 系统总体设计

系统采用在有线光纤主干网络的基础上结合基于Zig Bee技术的无线传感器网络的设计思想。设计原则是使监测系统可随着开采的进度, 将井下相关信息实时、准确传送到地面调度中心。实施方法首先在井下巷道中预先分布无线基站, 然后在主巷道和井上等长距离数据传输路径上铺设光纤网络, 并以监测分站的模式在该区域的相关点安置基于光纤通信的网络协调器, 充分利用光纤通信容量大、无须中继、远距离传送、抗干扰能力强的优点。而在不方便铺设光纤的采空区、采掘工作面等地覆盖Zig Bee无线传感器网络, 并通过监测分站中的网关与有线光纤网络互联。以太网完成远距离的井下到井上的信息传输。

4.2 系统设备组成

系统设备分为井上的和井下的两部分。位于地面的生产监测调度中心安放井上设备, 本文主要针对井下设备的系统设计。井下现场设备主要有三种:分别是协调器 (网关) 、路由器 (固定节点) 、终端 (移动节点) 。该系统基本功能包括实时井下环境数据采集与存储, 井下人员电子考勤、动态定位、地图管理、历史路径查询、数据联网、报表生成, 报警提示井下人员进入危险和限制区域, 以及矿难时提供井下人员搜救帮助等。

4.2.1 协调器

协调器负责创建一个Zig Bee网络:通过以太网连接远程监控主机, 并初始化监控主机的IP地址及端口号, 主动连接监控主机, 为Zig Bee网络和以太网之间通信搭建起一座桥梁, 并在使用中对网络进行管理和维护。当它要与传感器节点进行通信时, 首先完成Zig Bee协议与以太网协议之间的转换, 再将节点的数据传到监控主机, 同时主机也可以通过网关访问相关传感器节点或者向相关节点发送命令。

4.2.2 路由器

路由器一般是固定的无线监测基站, 主要布置在井口、长距离矿道的一定间距上、以及转弯或交叉口的位置, 与井下人员设备携带的移动终端和相关点位的环境数据采集终端通信, 用于提供路由服务, 充当定位锚点, 延伸Zig Bee网络的范围, 确保传感器网络无线链路的畅通和稳定。因此大多有路由器功能的节点为全功能器件和网络协调器。无线传感网络中参考节点和定位节点都是此类节点。

4.2.3 终端

终端作为数据的采集节点, 主要用于井下作业人员和机械设备所处位置的监测, 其任务还包括网络的连接和现场作业区域多种环境数据的采集。大多安装于瓦斯等危险气体较容易涌出的地方和井下矿工的矿灯、挖掘机、矿车等机械设备上。井下Zig Bee无线传感器网络就由这些移动终端和矿道中布置的节点自组织形成, 将实时数据传输给附近的监测分站。该类节点不具有路由功能, 只能与就近节点进行通信。此外终端还提供求救和报警功能。

4.3 系统工作过程

系统在矿井中安装完成之后, 将无线基站的位置坐标测出, 开始上电工作时, 坐标数据已被存储在处理器中, 网络协调器创建一个Zig Bee网络, 井下无线基站一个个加入到该网络中。系统启动井下人员、设备定位功能:无线终端定时或者收到基站的信号时, 向基站发射包含自身ID和发射功率的定位信息, 基站接收信号, 通过其中的ID信息, 即可初步确定该无线终端的矿工、机械设备或被检测点位于该基站的通信范围内。基站然后再加上自身ID和RSSI信息, 通过无线网络发给监测分站, 再由连接监测分站的光纤网络转发给处理器, 数据处理器根据RSSI信息和己知的基站坐标执行定位算法, 即可进一步得出终端较精确的位置。而安装在井下相关位置的固定监测节点通过其上不同类型的传感器采集井下环境的相关数据如有毒气体, 瓦斯浓度, 粉尘浓度等, 将数据融合后选择最优路径周期性的发送到监测分站, 并通过以太网传回地面监控中心, 而监控中心已经测量存储了这些固定监测节点的位置坐标。

系统正常运行, 矿工人员、机械设备所处的位置以及监测点的环境参数, 实时更新。

结束语

本文针对矿井安全监测系统的需要, 采用光纤和无线传感网络相结合, 其中基于Zig Bee技术的无线传感器网络具有组网快速简单、成本低、易维护等特点。使系统能够非常方便地随时对矿井内的各类环境参数进行实时检测、快速处理;采用混合定位进行井下相关人员设备及监测点的精确定位。是解决煤矿安全生产问题的重要手段。改善了传统的监测系统。通过该系统的设计得到一种通用的井下无线传感器网络进行监测的模型。可以在此基础上进行深入的研究, 进一步促进其在井下监测系统中的应用和发展。

摘要：传统的井下监测系统主要采用信号的有线传输方式, 限制了系统的可移动性, 设备安装不够灵活, 定位精度低, 难以满足现在井下安全监测实时准确的要求。随着无线传感器网络技术的发展, 并在众多领域取得广泛的应用, 这一技术也很快应用于地下矿井中。本文提出一种在有线网络的基础上结合基于ZigBee无线传感器网络技术的井下监测系统, 对发展状况、相关技术进行了叙述, 再对该系统的设计及其在复杂矿井环境中的运用进行了具体分析。

关键词：无线传感器网络,ZigBee技术,井下监测

参考文献

[1]焦尚彬, 宋丹, 张青, 唐金伟.基于Zig Bee无线传感器网络的煤矿检测系统[J].电子测量与仪器学报, 2013, 27 (5) :436-439.

[2]华钢, 周磊, 任凯.地下煤矿人员定位跟踪系统发展综述[J].矿山机械, 2008, 36 (6) :36-39.

[3]闵茹, 李静, 王军.无线传感器网络定位技术及其应用[J].河南机电高等专科学校学报, 2006, 14 (6) :22.

[4]郭小琴, 孙毅刚, 陈维兴.机场场面无线传感器网络监控系统关键技术研究[J].计算机工程与设计, 2009, 30 (22) :5106-5107.

[5]石军锋, 钟先信, 陈帅, 邵小良.无线传感器网络结构及特点分析[J].重庆大学学报 (自然科学版) , 2005, 28 (2) :16-18.

[6]彭霞.基于矿井Wi Fi通信系统的混合定位方法研究[J].工矿自动化, 2013, 39 (8) :29-31.

矿井监测传感器篇4

随着国家对煤矿安全生产日益重视, 研究新型技术保证煤矿安全生产成为关注热点。矿井监测系统在采掘巷道采用有线传输方式存在的局限性一是采掘过程中巷道结构不断变化导致线缆同步延伸麻烦、成本高[1], 二是对移动机械设备和一些特殊角落难以布置监测节点实现矿井全方位监测[2]。由于Zig Bee无线通信技术具有低功耗、低成本、应用简单等特点, 本文设计了基于Zig Bee技术的矿井环境监测系统。

2 矿井监测系统总体设计

矿井监测系统的系统结构及在井下布置情况如 (图1) 所示, 它分为井下部分和井上部分。

2.1 井下部分

主巷道采用RS-485总线。因为矿井主巷道服务年限长, 环境较好, 采用有线方式不易损坏且长期不用移动。

采掘巷道采用zigbee无线通信方式, Zigbee采用网型组网方式, 里面有三种类型节点。

(1) 协调节点。协调节点连接到主巷道的RS-485总线接口上, 它负责上位机和Zig Bee网络中未挂接到RS-485总线上的节点之间的数据转发。

(2) 路由节点。路由节点必须依次在巷道里面较为固定位置布置从而保证巷道里面任何位置都有路由节点对无线信号进行路由中转。

(3) 终端节点。终端节点可布置在移动机械设备上, 或布置在一些会随时移动布置位置的特殊位置。

Zigbee节点间传输距离可达10-100m, 如果增大发射功率后可达1-3km以上, 由于zigbee网络采用网型结构可通过路由节点实现信息的多级跳转, 因而能够达到采掘巷道一般网络传输距离不小于10km的要求。

根据现场实际需要, 沿坑道每隔一定距离 (50-500米) 在坑道顶部设置一个Zig Bee节点 (采用电池或其他电源供电) , 环境条件比较好的地方可以距离放得远一点环境条件比较恶劣的地方可以距离放得近一点, 同时在其他需要定位的地方也设置一个Zig Bee节点, 比如巷道拐弯处或者危险区域, 巷道分支处应设置节点。注意保证每个节点在它前面和后面都至少能与两个以上的节点进行通信, 这样当任意1个节点发生故障时, 可跳过这个节点与下1个节点直接通信, 即避免单线联系从而保证Zig Bee网络通信的可靠性。

采掘巷道本身是一个回路, 可以将zigbee网络的两端都连接到RS-485总线上形成一个环形结构, 这样当采掘巷道内某个地方出现塌方等事故时后面的zigbee节点可从另一端将采集数据传输给RS-485总线。

2.2 井上部分

上位机通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上, 采用Lab View软件进行数据接收、存储和显示。

3 监测节点硬件设计

挂接在RS-485总线上的监测节点结构框图如 (图2) 所示, 其它监测节点没有RS-485驱动器模块。

4 矿井监测系统软件设计

4.1 Zig Bee模块设计

本系统所有节点网络类型都设为网状网, 发送模式都设为主从模式, 数据源址输出都设为不输出。

4.2 Modbus协议格式

由于矿井环境监测系统数据传输量较大, 因而本系统通信协议采用Modbus协议的RTU模式。主机发送的查询指令、从机返回的正常响应数据帧和异常响应数据帧格式分别如 (表1、2) 和 (表3) 所示。

查询指令的功能代码为在用户定义区域中自定义的一个, 这里设置为0x60, 表示查询监测节点各端口的监测数据。数据指的是欲查询监测节点的地址。

正常响应数据帧的数据为5路监测数据。

异常响应数据帧的功能代码为在查询指令里的功能代码基础上, 对其最高位置1, 即将0x60的最高位置1后得0xe0。由于表示异常响应, 因而不需要带监测数据。

4.3 系统通信实现过程

根据监测系统中各节点的功能实现过程可以把这些节点分为三类:第一类是通过RS-485/RS-232转换器挂接到RS-485总线上的上位机, 作为主机;第二类是各采掘巷道Zig Bee网络里挂接到RS-485总线上的节点, 作为从机;第三类是各采掘巷道Zig Bee网络里未挂接到RS-485总线上的节点, 作为监测节点, 监测节点包括路由节点和终端节点, 路由节点在进行信息路由时是由Zig Bee模块自动完成的, 不需要STM32参与数据转发, 因而这两种节点的STM32功能实现过程相同。下面是这三类节点的功能实现过程。

(1) 主机。主机采用轮询的方式依次发送查询指令给各监测节点并接收、存储、显示监测数据 (如图3) 。

(2) 从机。从机主要起两个功能, 一个是转发主机的查询指令给对应地址的监测节点, 另一个是转发监测节点的返回数据帧给主机。数据帧的起始和结束为3.5个字符时间, 波特率设为9600, 计算确定该时间可取5ms。从机设定一个变量值time_5ms为定时时间是否到标志, 如果定时5ms到则置1, 否则为0。当定时器定时5ms到了表示一个数据帧接收完成然后执行查询指令, 基于中断处理要短的原则, 在中断处理里将time_5ms置1并停止定时器定时, 将接收数据帧数组指针指到最前面, 将监测环境信息或转发查询指令标志置1, 然后在主程序里循环判断标志位执行相应操作。

(3) 监测节点。监测节点与从机通信不需进行Modbus协议CRC校验 (Zig Bee协议内部已经进行CRC校验了) , 但仍采用其数据帧格式使得从机转发时不需对数据帧处理 (如图4、图5) 。

5 实验测试

实验测试时, Lab View显示界面如 (图6) 所示, 能准确可靠显示监测节点的五路监测数据和历史变化曲线, 证实了该方案可行。

参考文献

[1]张嘉怡, 刘建文, 伍川辉.ZigBee技术在煤矿安全监测中的应用[J].中国测试技术, 2008.

[2]覃磊, 张杰.基于ZigBee技术的煤矿瓦斯监测系统[J].计量与测试技术, 2007.

[3]赵铁锤.煤矿井下安全避险“六大系统”建设指南[M]北京:煤炭工业出版社, 2012.

[4]李树刚.安全监测监控技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2008.

[5]杨春.煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计[J].2008.

矿井监测传感器篇5

关键词：煤矿,采空区,无线传感器网络,路由协议,LEACH协议,多径路由机制

0 引言

煤矿监测监控系统是煤矿安全生产的重要组成部分, 但矿井采空区通常是被忽视的监测区域, 主要是因为采空区在煤矿开采过后似乎利用价值很小, 一般如果没有充填处理的话往往都是闲置的[1]。然而采空区的瓦斯浓度却是矿井安全生产重要的参考指标, 采空区与工作面相邻, 如果采空区瓦斯浓度过高, 随着温度的升高容易发生瓦斯爆炸[2], 这将对采煤掘进造成很大的安全隐患。

无线传感器网络 (WSN) 集信息采集、信息处理以及无线通信等功能于一体, 能够实时监测、感知和采集网络分布监测区域内的各种监测对象信息, 并对这些信息进行处理, 然后将其传送给监测用户终端[3]。作为WSN核心技术之一, 路由协议的性能在很大程度上决定了网络的整体性能, 因此, 路由算法始终是无线传感器网络研究的热点。LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy, 低能耗自适应分簇路由) 算法是比较成熟且常用的WSN路由算法。本文以煤矿采空区为背景, 首先对LEACH协议进行了改进, 然后结合多径路由机制, 设计了一种适用于煤矿采空区的WSN路由机制。

1 对LEACH路由协议的改进

1.1 LEACH协议简介

LEACH协议的基本思想:网络周期性地随机选举簇头节点, 其它的非簇头节点以就近原则加入相应的簇头, 形成虚拟簇。簇内节点将感知的数据直接发送给簇头, 由簇头转发给汇聚节点 (即Sink节点) , 簇头节点可以将本簇内的数据进行融合处理以减少网络传输的数据量。

在LEACH协议中, 簇头的选举是完全自主和随机的, 不需要节点间通信协调, 因此具有节约能量、实现简单、可扩展性好等特点, 便于部署到人们难以到达的区域。但是随机的簇头选举方法不能确定每轮簇头节点的数目和分布, 易造成网络内节点能量损耗不均, 节点生存期散布较大, 到网络生存后期会形成监控盲点, 影响网络的整体性能。因此, 本文对LEACH协议中簇头的选举机制进行了改进。

1.2 LEACH协议的簇头选举机制

LEACH协议主要分为两个阶段, 即簇建立阶段 (set-up phase) 和稳定工作阶段 (steady-state phase) 。簇建立阶段和稳定工作阶段所持续的时间总和为一轮。在簇建立阶段, 每个节点自主决定是否在本轮充当簇头, 具体的选举办法:设定阈值T (n) , 各节点在0～1之间随机选择一个数, 如果该随机数比T (n) 小, 则该节点在本轮成为簇头。

计算阈值T (n) 的公式为

$Τ (n) = {\begin{cases} \frac{p}{1 - p (r m o d \frac{1}{p})}, n \in G_{r} \\ 0, 其它 \end{cases} (1)$

式中:n为网络中传感器节点的总数目;p为一轮中网络的簇头节点数目;r为己完成的轮数;Gr为在剩余的n/ (k-r) (k为总轮数) 个回合中未成为簇头节点的传感器节点数目。

1.3 改进的簇头选举机制

在LEACH协议簇头选举机制的基础上, 对其阈值函数进行改进, 改进后的阈值T′ (n) 为

$Τ^{'} (n) = {\begin{cases} \frac{p}{1 - p (r m o d \frac{1}{p})} \times \frac{E_{c u r r e n t}}{E_{t o t a l}}, n \in G \\ 0, 其它 \end{cases} (2)$

式中:Ecurrent为节点当前的剩余能量;Etotal为当前网络中所有节点的剩余能量之和。

改进后的LEACH协议称为EBMC协议。EBMC协议计算阀值时添加了剩余能量参数, 即当节点能量较低时, 该节点当选为簇头的几率就会减小;每个节点均根据本地的剩余能量来确定自己是否成为簇头, 能量充足的节点优先成为簇头节点, 能量不足的节点则成为簇内节点。这样既保证每一块区域中均由能量最优的节点作为簇头节点, 又保证簇头节点均匀分布。由于每个传感器节点都需要知道其自身的剩余能量, 因此在每个节点处建立一个能量信息表, 用来记录节点的剩余能量[4]。

通过以上策略有效地解决了LEACH协议簇头能耗不均衡和簇头分布不合理的问题。

2 采空区WSN路由算法的设计

2.1 采空区WSN模型

采空区WSN模型采用两层双Sink节点结构, 如图1所示。簇头节点收集簇内成员发出的数据包并进行数据融合, 得到数据后采用多跳方式将其直接发送给Sink节点。由于WSN中通常只有少量的Sink节点可发布命令和收集数据, 而大多数节点无法直接与Sink节点通信, 因此需要借助中间节点通过多跳的方式来实现通信。

2.2 多径路由机制

由于煤矿采空区是无人可达区域, 节点部署后节点能量有限甚至无法供给;另外, 随着矿井开采和掘进的进行, 会有一些新的节点加入;部分采空区或许会出现冒落、塌陷, 一些节点可能消亡, 部分传输路径会中断, 因此需要多径路由机制。多径路由机制中主路径和备用路径的建立需用到邻居节点的位置信息, 将该信息与节点剩余能量一起保存在能量信息表中[5]。

下面简单介绍主路径和备用路径的建立过程。首先Sink节点发送主路径建立消息来建立主路径, 主路径P如图2所示, 这里与Sink节点联系的均为簇头节点。

主路径建立之后, 在主路径上的每个节点 (除源节点和接近源节点的节点) 必须根据能量信息表向其次优节点 (设为A) 发送备用路径建立消息。然后, 次优节点A再寻找它的次优节点 (设为B) 并向其发送备用路径建立消息。如果节点B不在主路径上, 它会继续发送备用路径建立消息, 直到与主路径相交为止, 这样一个新的备用路径也就是次优路径就完全建立了。当主路径上的节点消亡时, 网络可以使用这个次优路径发送数据包。次优路径P1如图3所示。

2.3 采空区WSN路由算法

采空区WSN结构如图4所示。因采空区地形复杂, 监测节点以随机方式部署, Sink节点可以根据通信机制的需要部署在回采工作面上下顺槽中。WSN通过工业以太网与地面监测中心相连, 以便井上人员对采空区进行监测监控。

根据矿井采空区布置节点距离的远近将网络划分成簇, 并按照改进的机制来选举簇头。簇内节点负责对矿井采空区环境参数 (如瓦斯等) 进行监测和采集;簇头节点则主要负责收集簇内节点的工作状态和所监测的数据, 将数据融合后采用簇头间多跳转发的方式, 最终将数据传送给Sink节点。

根据矿井采空区的实际情况和对矿井环境参数监测的具体需求, 普通簇节点、簇头节点可采用人工方式进行灵活的布置;同时还可根据监测需求的变化随时增减簇的数量。

3 仿真实验

NS-2 (Network Simulator Version 2) 是无线传感器网络中最流行的仿真工具, 因此采用NS-2来进行仿真实验。

3.1 仿真设置

(1) 仿真区域及节点布置

考虑到煤矿井下无线通信距离为50～60 m, 为了避免在监测过程中出现监测盲区, 这里设置监测区域范围为150 m×50 m, 部署节点数目为100个。由于采空区传感器节点的布置是随机抛撒的, 在网络模拟仿真过程中, 将在 (150, 50) 的区域内随机分布100个节点进行仿真。

图5为100个传感器在设定的采空区监测区域中的随机分布。

(2) 簇头节点数

在不同簇头概率下对节点的平均每轮能量消耗进行仿真, 图6给出了簇头数目与节点每轮能耗的关系。从图6可看出, 当簇头数目在3～5之间时, 节点的每轮平均能耗最小。因此, 以下的仿真中设置簇头节点数均为5。

(3) 簇头轮换周期

由于工作面采空区“三带” (漏风带、氧化 (自燃) 带和窒息带) [6]的动态性, 仿真实验中要设置合理的簇头轮换周期。凉水井某工作面的掘进速度是每40 min前进0.8 m, 参考其采空区漏风速度和氧气浓度, 为实现对采空区的无盲区监测[7], 设置轮换周期为20 s。

3.2 仿真结果与分析

通过3个实验来比较LEACH协议和EBMC协议的性能。

(1) 网络节点存活数比较

节点存活数是指在WSN节点发送的数据量与消耗的能量成正比的情况下, 经历相同的实验时间后网络中存活的节点数目。LEACH协议和EBMC协议网络节点存活数对比如图7所示。

从图7可看出, EBMC协议相对于LEACH协议延长了节点的生命周期, 推迟了死亡节点出现的时间, 减少了死亡节点出现的比例。

(2) 接收相同数据量时网络的总能耗比较

这里的数据量是指两个Sink节点接收到的数据量之和。采用LEACH协议和EBMC协议、节点接收相同数据量时网络的总能耗对比如图8所示。

从图8可看出, 在传输相同数据量的情况下, 采用LEACH协议比采用EBMC协议消耗更多的网络总能量。

(3) 相同时间内网络的总能耗比较

采用LEACH协议与EBMC协议在相同时间内的网络总能耗对比如图9所示。

从图9可看出, 在相同时间里, 采用EBMC协议时, 网络总能耗较采用LEACH协议明显降低。

4 结语

设计了一种采空区WSN路由机制, 并通过NS-2网络仿真平台进行了实验。仿真结果显示, 改进后的EBMC协议提高了网络中节点的能量有效性, 延长了网络的生命周期, 较LEACH协议更适用于煤矿采空区WSN。

参考文献

[1]曹敏.采空区煤炭自燃危险性评价研究[D].淮南:安徽理工大学, 2009.

[2]易欣.采空区可燃性气体爆炸特性研究[D].西安:西安科技大学, 2006.

[3]孙继平.煤矿电气安全关键技术研究[J].工矿自动化, 2011 (1) :1-4.

[4]HEINZELMA W B, CHANDRAKASAN A P, BALAKRISHNAN H.An Application-specificRotocol Architecture for Wireless MicrosensorNetworks[J].IEEE Transactions on WirelessCommunications, 2002 (4) :660-670.

[5]HALL D.Mathematical Techniques in MultisensorData Fusion[M].Boston:Artech House Publishers, 1992.

[6]王文晖.大面积采空区煤炭自燃火灾灌浆灭火技术及参数的研究与应用[D].太原:太原理工大学, 2006.

矿井监测传感器篇6

1.1 误码产生的原因

误码产生的原因主要有以下几方面:第一,传感器的信号线正极与电源正极短路、接触不良、接线方式不正确。第二,检测元件稳定性变坏或故障、电桥电路故障。第三,测点定义类型错误、量程设置错误。第四,传感器或接线盒受潮、进水。第五,传感器附近存在易挥发可燃性气体的物质,如各种油漆、松香水等。第六,传感器跌落或受冲击震动。第七,外界干扰等人为或环境因素。这些都可能导致模拟量传感器的误码。

1.2 误码的表现形式

误码有持续的,也有瞬时的,主要表现为中心站主机显示的数值增大、减小或误报警。

第一,由线路短路、接触不良、接线方式错误、传感器或接线盒受潮、进水而出现的误码,主要包括误报警,使用现场是不易被发现的。这种误码的主要特征表现为瞬时性,只有在瞬时误报警时,中心站值班人员才能发现。因此,中心站值班人员要坚持当日分析制度,每天分析数据增大或减小的原因,尤其是瞬时增大或瞬时减小的原因,避免出现误报警。第二,由测点定义类型错误、量程设置错误出现的误码,其主要特征表现为连续的误报警,但不影响井下生产现场的正常监测。因此,要求中心站值班人员一定要经培训合格,持证上岗,熟练操作。第三,由检测元件稳定性变坏产生的误码,其特征表现为不稳定的或反复间断性的一种持续误码,包括误报警。发现这种情况要及时更换传感器。第四,由电桥电路故障或检测元件故障出现的误码,其特征表现为持续的误码,同时,也包括误报警。第五,传感器跌落或受到冲击震动出现的误码,其主要特征表现为持续的、短时间的或瞬时的。具体表现形式由震动的强度决定。在通常条件下,都会出现零点漂移。如果震动强度较大,井下现场及中心站主机都会处在持续的报警状态。第六,外界干扰出现的误码,其主要特征为瞬时的或持续的,表现形式随干扰因素的不同而不一样。如井下照明或其他设备可能分解为红外光的,很有可能干扰传感器的红外接收电路,导致传感器处于“自检”状态,而产生持续的误报警。第七,传感器附近存在易挥发可燃性气体的物质,如各种的浓度时,传感器及中心站主机会同时发出误报警信号。

2 防范措施

2.1 施工防范措施

施工单位在作业过程中,若不注意保护传感器及其信号电缆,很可能导致传感器误码。所以,在安全监测巡检时,就要尤其关注,避免出现误码,应该对施工单位在作业过程中进行监督检查,进行落实整改。第一,安装喷雾装置,远离传感器、信号电缆接线盒,传感器前后5m范围内不可设置喷雾装置。降尘、洒水,要避开传感器、电缆接线盒。进行湿式打眼,以防压力水溅到传感器、接线盒。第二,扒矸机施工,要防止大绳碰撞电缆、传感器。靠边堆放物体,防止压伤电缆导致短路,人工运送物料,防止碰撞传感器,刮伤或刮断电缆,导致短路。第三,在爆破前,传感器要移到安全地点,防止遭受冲击、震动。防止电缆崩伤、崩坏,导致短路。移挪传感器,防止摔打、碰撞,不可生拉硬扯电缆,避免传感器航空插头脱焊、虚接、短路,造成误码。第四,传感器的附近,不得存放易挥发、可燃性气体的物质,或用其在传感器附近作标记,更不得在传感器上涂抹或作标记。

2.2 维护防范措施

在安全监测巡检时,除了监督施工单位作业以外,也必须加强自身的巡查力度,有针对性地检查,并消除可能出现误码的因素。要重点检查传感器是否受潮,如果受潮要打开处理或更换传感器。有针对性地检查电缆接线盒是否受潮,如果受潮要打开处理或更换,并拧紧喇叭口,提高防水性能。传感器航空插头必须拧紧、固定要牢靠。更换接线盒,防止芯线互碰短路。要在地面检修时,提高焊接质量。发现断线故障,要及时解决处理,避免由于断线时间过长,导致电缆短路造成误码。中心站值班人员要进行测点定义,要根据施工措施要求进行,并询问井下现场施工人员,如传感器的类型、量程、报警点等。在标校时,要注意观察传感器的稳定性变化,如果稳定性变差,要更换传感器并重新调校。要检查传感器上的航空插头、插座是否受潮、进水。

参考文献

[1]梁南丁.矿山机械设备电气控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[2]祖国建.矿山电气设备使用与维护[M].北京:化学工业出版社,2011.

矿井水文自动监测系统研究篇7

系统可全天候监测引起矿井水害的各种参数, 并在地面监控计算机上显示和存储, 一旦出现险情 (根据综合信息预报) , 井上、井下立即报警, 以便及时采取措施, 保证矿井及井下人员安全。监测数据可通过计算机网络查询。

2 系统组成及工作原理

系统主要由各种智能传感器 (如智能堰式流量传感器、智能管路流量传感器、智能水压传感器等) 、通信分站、通信线路、通信接口及监控计算机组成, 分布在各测点的智能传感器完成被测量 (如涌水量、水仓水位、钻孔水压、防水设施变形等) 的测量, 并通过一条公共传输线路 (传感器级M-BUS总线:四芯电缆, 其中两根供电, 两根通信) 将测量数据发送给通信分站, 再由通信分站通过另一条公共传输线路 (分站级RS485总线:两芯电缆) 远传至地面监控计算机, 实现集中处理、存储、报警。报警信息既被送给井下声光报警器, 提醒井下人员采取相应的行动。监控计算机具有网络服务器功能, 有关领导和部门只要打开各自的计算机, 就可通过浏览网页来查询全部监测内容。各类传感器一般都受环境温度影响, 为掌握影响程度, 进行温度补偿, 所有智能传感器都装有温度传感器, 温度传感器还可用于测水温。

井下系统分为三个网络层次, 底层网络由智能传感器、声光报警器及通信分站组成, 通信分站为主机, 通过发送不同的地址 (每个智能传感器、声光报警器都设有唯一的地址, 地址范围1~80) 依次控制各智能传感器执行测量工作, 并读取和存储其测量数据。智能传感器采用总线集中供电方式, 即由通信分站输出一对电源线, 给智能传感器供电, 而通信分站由本安电源直接供电。因声光报警器耗电较大, 故直接由127V交流电供电。地面监控计算机根据监测数据产生报警信息, 并由通信分站转给声光报警器;中间层网络由通信分站与监控计算机组成, 监控计算机为主机, 通过发送不同的地址 (每个通信分站都设有唯一的地址, 地址范围1~32) 依次选通各通信分站, 并读取其存储的测量数据;上层网络为计算机局域网络, 监控计算机作为网络结点, 具有网络服务器功能。底层、中层网络的拓扑结构分别为M-BUS总线型、RS485总线型, 特点是多个网络结点可共用一条通信信道, 非常适合煤矿井下测点分布较广的情形。M-BUS总线是欧洲标准的2线串行总线, 专门为耗能测量仪器传送信息而设计, 具有布线简便 (无极性、可任意分支, 普通双绞线) 、抗干扰能力强等优点。

当分站级RS-485总线过长或挂接通信分站过多时, 需在总线上加RS485中继器, 以提高通信距离和可靠性, RS485中继器由单独的本安电源供电。

3 通信接口

3.1 通信线路

通信接口是地面计算机与井下通信分站通信的转换接口。将通信接口后面板的RS232通信线插到计算机后面的RS232串行口上;用两芯通信电缆将通信接口后面板的“总线”口接到井下, 并接入通信分站内的接线端子上, 注意+、-不能接反, 可先将通信接口上电, 用万用表在井下量电压 (5V左右) 来判断+、-。通信电缆做接头时, 必须保证同颜色的线相连, 千万不要接错。为防雷击, 通信接口采取了防雷击设计。为保证井下系统安全, 下井信号为本安信号。

3.2 供电电源

通信接口供电电压为AC220V, 由市电提供, 必须良好接地。

3.3 运行

系统全部安装完毕, 打开电源开关, 正常工作后, 计算机向井下通信分站发送数据时, 通信接口前面板上“发送”指示灯亮;井下通信分站向计算机发送数据时“接收”指示灯亮。

4 通信分站

4.1 功能

通信分站不断读取和存储所接智能传感器的测量数据, 当地面监控计算机选通通信分站并发“读数据”命令时, 通信分站就将存储数据发给计算机;当地面监控计算机选通通信分站并发“搜索”命令时, 通信分站就自动搜索其所带智能传感器的数量、地址、类型等, 并发给计算机。

4.2 容量

一台通信分站所带智能传感器的数目不能超过100, 各智能传感器必须设置不同的地址 (范围为1~100, 通过专用设置器设置) 。必须记住安装在各测点的智能传感器地址, 以便在地面微机“系统生成”时使用。

4.3 地址设置

各通信分站必须设置不同的地址 (1~255) , 通过“地址设置开关”设置, 所有小开关打到左边 (ON) 时均为0, 打到右边时, 各小开关代表的值不同 (从下“1”至上“4”, 分别代表1、2、4、8) , 各小开关值的和为通信分站的地址。例如:如果通信分站的地址要设为9=1+8, 则小开关“1”和“4”要打到右边, 而小开关“2”和“3”要打到左边。

4.4 供电

通信分站的供电电压为DC24V, 由隔爆兼本安电源提供, 隔爆兼本安电源的供电电源为AC127V, 需用三芯电源线接井下127V交流电, 其中一芯为接地线。本安电源的直流输出端与通信分站电路板上的电源端用两芯电源线相连, 注意:正负极不能错。

4.5 与智能传感器连接

通信分站与智能传感器通过四芯通信电缆 (传感器级M-BUS总线) 连接, 其中两芯 (红、白) 为供电线, 通信分站给各智能传感器供电;另外两芯 (蓝、绿) 为通信线。注意:不要接错, 要同一颜色相接。通信电缆通过喇叭口接到电路板的接线端子上 (见图1.2) 。

4.6 与分站级RS485总线连接

通信分站经过地面通信接口与地面监控计算机通信, 通信电缆为两芯, 分+、-, 可先将通信接口上电, 用万用表在井下量电压 (5V左右) 来判断+、-, 然后接入通信分站内的接线端子上。

结束语:矿井水文自动监测系统的推广与应用有利于提高矿井水害预报、预测水平, 掌握矿井水文动态变化规律, 指导矿井水害治理, 保证矿井安全生产, 具有广阔的应用前景。

摘要：水害作为煤矿井下主要灾害之一, 严重威胁着煤矿的安全生产, 其表现形式是矿井涌水量突然增大超出矿井排水系统的排水能力, 因此, 建立矿井水文自动监测报警系统十分必要。

【矿井监测传感器】推荐阅读：

矿井安全监测05-12

矿井监测监控试题07-12

矿井安全监测监控系统10-03