時間：2022-04-10 10:31:08
序論：在您撰寫煤礦監(jiān)測系統(tǒng)論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
摘要：眾所周知能源工業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，然而我國煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)形勢卻不容樂觀，尤其是重、特大傷亡事故頻繁發(fā)生。在這些事故中，瓦斯爆炸又占絕大多數(shù)。其中有很多誘發(fā)因素，但各煤礦生產(chǎn)企業(yè)安全監(jiān)測設(shè)備不完備、管理手段落后是造成事故頻發(fā)的重要原因之一。本文主要介紹了瓦斯防治導(dǎo)航監(jiān)控管理主要內(nèi)容及瓦斯安全監(jiān)控設(shè)備安裝時的要求及技術(shù)管理，最后展望了煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：煤礦；瓦斯；監(jiān)測系統(tǒng)
1、引言
我們都知道瓦斯災(zāi)害是煤礦生產(chǎn)中的主要災(zāi)害之一，一方面為了滿足國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對煤炭能源的強(qiáng)勁需求，國內(nèi)煤礦開采強(qiáng)度普遍增大；隨著開采深度向深部延深，多數(shù)礦井由原來的低瓦斯礦井轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚够蛲咚雇怀龅V井，這是近年來我國煤礦瓦斯事故多發(fā)的客觀原因之一；另一方面國內(nèi)幾起重大瓦斯事故的原因分析表明，瓦斯防治管理方面存在的缺陷也是導(dǎo)致瓦斯事故頻繁發(fā)生的重要原因。因此瓦斯治理就成為煤礦安全生產(chǎn)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。那么如何運(yùn)用信息技術(shù)改善瓦斯防治管理手段、提升瓦斯管理水平，已經(jīng)成為我國煤礦安全生產(chǎn)的迫切需求。
2、瓦斯防治導(dǎo)航監(jiān)測管理主要內(nèi)容
什么是煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)呢？所謂煤礦瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng) 是指利用信息管理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對礦井甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)壓、溫度、饋電狀態(tài)、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開停、主要通風(fēng)機(jī)開停等實(shí)施遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)控管理，并實(shí)現(xiàn)甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風(fēng)電閉鎖控制等功能的系統(tǒng)。
目前,我國煤礦多數(shù)礦井都裝備了瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)。同時隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)自身發(fā)展的需要，煤礦安全綜合信息化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管理應(yīng)用系統(tǒng)等到了快速發(fā)展。人們就可以通過安全監(jiān)測系統(tǒng)來分析判斷、提醒和報警實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)礦井瓦斯防治導(dǎo)航的技術(shù)，來確保煤礦系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 瓦斯防治導(dǎo)航監(jiān)控管理主要有以下內(nèi)容：
（一）監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控管理內(nèi)容
監(jiān)測系統(tǒng)以采掘工程平面圖為基準(zhǔn)，新建添加各種監(jiān)控傳感器及必備的監(jiān)控內(nèi)容，設(shè)計(jì)有傳感器說明牌、傳感器監(jiān)測表，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定性、定量分析、評價的監(jiān)測表，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測傳感器的定位管理，對監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)控區(qū)域的預(yù)測、預(yù)報、預(yù)警，判斷更直接、快速。
（二）通風(fēng)系統(tǒng)主要設(shè)施監(jiān)控管理內(nèi)容
通風(fēng)系統(tǒng)以采掘工程平面圖為基準(zhǔn)，新建添加各種通風(fēng)設(shè)施，設(shè)計(jì)有設(shè)施說明牌、設(shè)施監(jiān)測表，對通風(fēng)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定性、定量分析、評價的監(jiān)測表，實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)施管理的預(yù)測、預(yù)報、預(yù)警，根據(jù)授權(quán)進(jìn)行簽名評價、消警、處理，消除安全隱患及導(dǎo)航系統(tǒng)報警信號。
（三）采掘生產(chǎn)系統(tǒng)主要監(jiān)控管理內(nèi)容
在數(shù)字化的采掘工程平面圖上對采煤工作面和掘進(jìn)工作面的適時位置進(jìn)行活化處理，根據(jù)其推進(jìn)度按時更新，系統(tǒng)將根據(jù)其更新的適時位置線對推進(jìn)前方影響區(qū)域內(nèi)瓦斯情況進(jìn)行分析、評價、預(yù)測、預(yù)報、預(yù)警。
（四）瓦斯地質(zhì)信息監(jiān)控管理內(nèi)容
瓦斯地質(zhì)以采掘工程平面圖為基準(zhǔn)，劃出高瓦斯區(qū)、高瓦斯帶、突出威脅區(qū)、突出危險區(qū)，隨采掘工作面推進(jìn)按監(jiān)測表要求，隨時進(jìn)行預(yù)測、預(yù)報、預(yù)警。
3、瓦斯安全監(jiān)控設(shè)備安裝時的要求及技術(shù)管理
煤礦企業(yè)在對瓦斯安全監(jiān)測設(shè)備安裝時必須符合以下要求：
①瓦斯監(jiān)控裝備必須具有煤安標(biāo)志，設(shè)備下井前必須經(jīng)過調(diào)試、校正，檢查合格后方可使用。對于沒有煤安標(biāo)志和合格證明的設(shè)備一律不準(zhǔn)下井和安裝使用。
②監(jiān)控設(shè)備必須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的取值也必須符合設(shè)計(jì)要求。
③監(jiān)控設(shè)備的供電電源必須取自被控開關(guān)的電源側(cè)，嚴(yán)禁接在被控開關(guān)的負(fù)荷側(cè)。
④電纜要求：本質(zhì)安全型監(jiān)控裝備其輸出本質(zhì)安全型部分可不按防爆要求管理，但其關(guān)聯(lián)設(shè)備仍要按防爆要求管理。
⑤井下主機(jī)或分站應(yīng)安設(shè)在支護(hù)良好、無滴水、無雜物的進(jìn)風(fēng)巷道或峒室內(nèi)，且距巷道的底板距離不得小于300mm。
⑥傳感器必須垂直懸掛。
⑦設(shè)備安裝完畢經(jīng)過調(diào)校，測試合格，由瓦檢員、安裝人員、施工單位共同在安裝申請單上簽字，然后移交給施工單位使用和保管。
加強(qiáng)瓦斯監(jiān)控設(shè)備的技術(shù)管理
①礦井技術(shù)人員要充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫的監(jiān)測資料，定期組織分析，查找瓦斯超限或設(shè)備故障的原因，制定針對性的措施，以確保安全生產(chǎn)。
②加強(qiáng)技術(shù)資料管理。技術(shù)人員要經(jīng)常收集整理各種瓦斯監(jiān)控技術(shù)資料，并分門別類進(jìn)行建檔。
③配齊瓦斯監(jiān)控人員，強(qiáng)化培訓(xùn)、提高素質(zhì)、確保瓦斯監(jiān)控工作的正常開展。安裝、維修及監(jiān)控室值室人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)并經(jīng)考試合格后掛證上崗，不合格的不得上崗。
4、煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
①智能化自檢功能
系統(tǒng)故障自檢功能向智能化發(fā)展，具有對故障的智能分析、判斷功能，改變系統(tǒng)自檢功能單一、簡單的情況，做到系統(tǒng)常見的軟件和硬件故障都能通過門檢功能進(jìn)行判斷， 從而縮短故障處理時間，更好地保障礦井安全生產(chǎn)。
②規(guī)范通信協(xié)議
通信協(xié)議不規(guī)范的后果是造成設(shè)備購置重復(fù)， 不能隨意進(jìn)行軟硬化升級的改造。制定統(tǒng)一的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對促進(jìn)礦撲監(jiān)控技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。
③實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)化
根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理的需要， 監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控信息被網(wǎng)絡(luò)共享，系統(tǒng)應(yīng)用軟件按統(tǒng)一的格式向外提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，每一臺在網(wǎng)遠(yuǎn)程終端都可以共享監(jiān)控信息， 為決策和管理層提供決策依據(jù)。
④傳感器技術(shù)得到改善，將開發(fā)出高品質(zhì)的傳感器
未來的高性能傳感器的壽命、抗高濃沖擊性能、抗中毒性能將會得到改善。
5、結(jié)論
總之，瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)是領(lǐng)導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)決策提供科學(xué)可靠的第一手材料，是及時協(xié)調(diào)和正確指揮生產(chǎn)的重要途徑。充分發(fā)揮煤礦瓦斯監(jiān)測的重要作用，有效遏制煤礦重特大瓦斯事故的發(fā)生，規(guī)范瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行管理，從而真正發(fā)揮監(jiān)控系統(tǒng)在 “一通三防”中的作用，保證瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行，能夠使煤礦安全生產(chǎn)得到進(jìn)一步提高。
【摘 要】自2000年以來，隨著國家對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的裝備大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率，同時也為該技術(shù)的正確選擇、使用、維護(hù)和企業(yè)安全生產(chǎn)信息化管理提出了更高的要求。
【關(guān)鍵詞】煤礦安全；監(jiān)測；改進(jìn)
1、煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由早期的地面單徽機(jī)監(jiān)側(cè)監(jiān)控已發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測監(jiān)控。其主要由監(jiān)測終端、監(jiān)控中心站、通信接口裝置、井下分站、傳感器組成。
監(jiān)測終端：主要監(jiān)側(cè)煤礦井下各種有毒有害氣體及工作面的作業(yè)條件。如高濃度甲烷氣體、低濃度甲烷氣體、一氧化碳、氧氣濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、巖煤溫度、頂板壓力、煙霧等。
監(jiān)控中心站：主要監(jiān)控井上、下主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)今數(shù)，如煤倉煤位、水倉水位、供電電壓、供電電流、功率等模擬量；水泵、提升機(jī)、局扇、主扇、膠帶機(jī)、采煤機(jī)、開關(guān)、磁力起動器運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等。中心站軟件具有側(cè)點(diǎn)定義功能；具有顯示測量參數(shù)、數(shù)據(jù)報表、曲線顯示、圖形生成、數(shù)據(jù)存儲、故障統(tǒng)計(jì)和報表、報告打印功能。
井下分站：盡管各廠家的監(jiān)控系統(tǒng)井下分站形式多樣，但基本上具備了如下功能：
開機(jī)自槍和本機(jī)初始化功能：通信側(cè)試功能：分站設(shè)程控功能（實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)儀功能、風(fēng)電瓦斯閉頓功能、瓦斯管道監(jiān)側(cè)功能和一般的環(huán)境監(jiān)側(cè)功能等）；死機(jī)自復(fù)位功能且通知中心站；接收地面中心站初始化本分站參數(shù)設(shè)里勸能（如傳感器配接通道號、量程、斷電點(diǎn)、斷電點(diǎn)、報普上限和報替下限等）：分站自動識別配接傳感器類型（電壓型、電流型或頻率型等）：分站本身具備超限報苦功能；分站接收中心站對本分站指定通道輸出控制繼電器實(shí)施手控操作功能和異地斷電功能。
傳感器：傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能正確反映被側(cè)環(huán)境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。目前國內(nèi)生產(chǎn)和用于煤礦監(jiān)側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器主要有瓦斯、一氧化碳、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煤倉煤位、水倉水位、電流、電壓和有功功率等模擬量傳感器，以及機(jī)電設(shè)備開停、機(jī)電設(shè)備饋電狀態(tài)、風(fēng)門開關(guān)狀態(tài)等開關(guān)量傳感器，以上傳感器的開發(fā)和應(yīng)用基本滿足了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控的需要，但國產(chǎn)傳感器在使用壽命、調(diào)校周期、穩(wěn)定性和可靠性方面與國外同類產(chǎn)品相比還有很大差距，某些傳感卷（如瓦斯傳感器）的穩(wěn)定性還不能滿足用戶的需要。
2、移動井下人員定位技術(shù)和定位功能模塊
井下作業(yè)人員的流動性大以及工作環(huán)境復(fù)雜，一旦事故發(fā)生，井下人員的確切數(shù)量以及每個人所處的具體位置都很難確定，從而給營救工作帶來極大困難，常常會延誤營救的最佳時機(jī)并造成嚴(yán)重后果。另外，一旦意外事故發(fā)生遇難人員的具體位置不能確定，導(dǎo)致發(fā)生被困人員生死不明的情況。同時，為了避免挖掘中對人員的傷害便不能使用大的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行救援，從而導(dǎo)致救援進(jìn)展緩慢。如果能夠確定井下工作人員的確切位置便將會大大加快救援的進(jìn)度，這樣就有可能營救出更多的人員，從而把損失降到最低的限度。
1）系統(tǒng)定位方法和定位模塊
井下定位系統(tǒng)的采用集中的定位方式由管理中心進(jìn)行定位。
定位步驟如下：首先布設(shè)網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點(diǎn)，保持網(wǎng)關(guān)之間的距離，再布設(shè)一些位置已知的參考節(jié)點(diǎn)保證每個移動節(jié)點(diǎn)至少要處于多個參考節(jié)點(diǎn)的射頻信號覆蓋范圍之內(nèi)。
欲定位時首先確定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相對于參考節(jié)點(diǎn)之間的位置，因參考節(jié)點(diǎn)的位置把移動節(jié)點(diǎn)相對參考節(jié)點(diǎn)的位置和參考節(jié)點(diǎn)的絕對位置相加，即可得到該移動節(jié)點(diǎn)的絕對位置。具體定位步驟如下：首先進(jìn)行移動節(jié)點(diǎn)的相對定位來確定移動節(jié)點(diǎn)相對于參考節(jié)點(diǎn)的位置。采用的測距技術(shù)為無線電信號強(qiáng)度和無線電信號覆蓋關(guān)系相結(jié)合的技術(shù)。
RSSI測距是指無線射頻通信時，節(jié)點(diǎn)所接收到的射頻信號強(qiáng)度是隨距離衰減的，采用信號強(qiáng)度隨距離衰減模型并不增加額外裝置。
距離測量是節(jié)點(diǎn)定位時，通過檢測相鄰參考節(jié)點(diǎn)的無線信號強(qiáng)度來計(jì)算它們信號強(qiáng)度之比，利用RSSI計(jì)算出該員工到多個參考節(jié)點(diǎn)的距離。
位置計(jì)算指的是移動節(jié)點(diǎn)根據(jù)所計(jì)算得到的距離值，根據(jù)兩點(diǎn)、三邊以及三角測量法等方法，計(jì)算出該節(jié)點(diǎn)距離最近的網(wǎng)關(guān)的二、三維距離，從而實(shí)現(xiàn)了移動節(jié)點(diǎn)相對于參考節(jié)點(diǎn)的定位。
2）基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員實(shí)時定位系統(tǒng)
目前，井下定位一般采用射頻識別卡（RFID）的方式。員工隨身攜帶寫有唯一編號的電子射頻識別卡，巷道的詢問裝置發(fā)射詢問信號接收員工電子識別卡的應(yīng)答信號從而實(shí)現(xiàn)員工的定位。
這種定位系統(tǒng)存在諸多問題，首先是定位精度低，它的定位精度取決于巷道詢問裝置間的距離，一般的電子識別卡定位方式中巷道詢問裝置的距離是幾十米的量級定位精度，不能精定位便對于緊急情況的救援只能提供有限的幫助。另外射頻卡一般是被動卡，從而只能應(yīng)答固定的詢問。在發(fā)生意外時員工僅僅依靠電子識別卡僅能確定事故發(fā)生之前的大概位置而不能與巷道詢問裝置進(jìn)行雙向通信。
3、用于煤礦生產(chǎn)安全實(shí)時監(jiān)控子系統(tǒng)管理平臺
基于已有的通用管理信息系統(tǒng)，針對煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控的特殊需求為煤礦管理者定制開發(fā)一個監(jiān)控管理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有用戶認(rèn)證數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢以及實(shí)時監(jiān)控等多項(xiàng)功能。配置了針對礦井應(yīng)用的專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和便于信息共享的Internet服務(wù)器。適用于各類氣體以及人員位置監(jiān)控的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)。本項(xiàng)目中的監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供基于GIS的和采用自定義條件方式的查詢、統(tǒng)計(jì)和報表功能。提供對所有監(jiān)測信息的數(shù)字信息、圖像或視頻的實(shí)時監(jiān)視。整個監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，能夠隨著需求的變化增加新的功能從而不斷地進(jìn)行完善具有良好的可擴(kuò)展能力。
4、技術(shù)趨勢
傳感器網(wǎng)絡(luò)有著巨大的應(yīng)用前景和發(fā)展空間，被認(rèn)為是將對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大沖擊的技術(shù)之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)以一種新的無處不在的主動式計(jì)算模式推動科技發(fā)展和社會進(jìn)步已成為國家競爭的焦點(diǎn)，從而關(guān)系到國家政治、軍事和社會安全等諸多方面。發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成推動新興傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)化的跨越式發(fā)展，對于我過在21世紀(jì)的國際戰(zhàn)略地位具有領(lǐng)先地位至關(guān)重要意義。
摘 要 煤礦安全信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜，對數(shù)據(jù)的實(shí)時性、完整性和正確性，尤其是對實(shí)時數(shù)據(jù)響應(yīng)的快速性、對監(jiān)測環(huán)境的遠(yuǎn)程遙控能力提出了更高的要求。文章介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多部門、多層次煤礦安全信息遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，較為詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、軟硬設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)及信息安全設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時、完整、正確、遙控性能較好、數(shù)據(jù)處理和存取快速、系統(tǒng)可擴(kuò)充并靈活支持?jǐn)U展應(yīng)用等特點(diǎn),便于管理層快速、及時、準(zhǔn)確地獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提高決策科學(xué)性。
關(guān)鍵詞 煤礦安全 監(jiān)測系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) 傳感器網(wǎng)絡(luò)
1 前言
煤炭作為我國重要的能源之一，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著至關(guān)重要的地位。然而，在我國煤礦企業(yè)管理過程中，安全問題尤為突出。安全與生產(chǎn)的關(guān)系是相輔相成的，只有創(chuàng)造一個穩(wěn)定、安全的生產(chǎn)環(huán)境，才能保障更高的生產(chǎn)效率，才能帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。
安個與生產(chǎn)的問題不只是煤礦企業(yè)高度重視的對象，所有的礦山開采企業(yè)都必須認(rèn)真考慮。傳統(tǒng)的人工苦力開采己經(jīng)不再存在，智能化開采技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)部分環(huán)節(jié)由機(jī)器設(shè)備代替人工，這也是減少礦一山事故人員傷亡的措施之一。隨著礦山開采深度的增加，高地應(yīng)力、高溫等問題也隨之而來，使開采作業(yè)遇到一系列難題，這就要求智能技術(shù)必須不斷的提高?，F(xiàn)如今，基于數(shù)字化、信息化與集成化，對井下部分作業(yè)過程和環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、分析，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理智能化。
引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用到礦山安全管理過程中，通過嵌入在各種設(shè)備中的傳感器采集其運(yùn)作信息，并對這些信息進(jìn)行處理和共享，實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)所有工作人員之間、工作人員與運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備之間及所有運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備之間的智能化管理，打造一個先進(jìn)的智慧礦山。
物聯(lián)網(wǎng)在礦山方面的應(yīng)用發(fā)展正處于初級階段。2010年3月，徐州市提出基于礦區(qū)智能化的“感知礦山”的概念，政府與中國礦業(yè)大學(xué)合作建立了感知礦山工程研究中心，成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個重要研究領(lǐng)域。它通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)礦一山的可視化、智能化和數(shù)字化。其目的在于將礦山的地理、地質(zhì)、生產(chǎn)、安全管理、產(chǎn)品加工、運(yùn)銷等各種綜合信息進(jìn)行數(shù)字化，將感知、傳輸、信息處理及智能云計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代采礦、礦物加工等技術(shù)相互緊密結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)詳盡地動態(tài)地描述并控制礦山生產(chǎn)與運(yùn)營的安全過程，解決礦山瓦斯爆炸、透水事故等各種災(zāi)害預(yù)防的難題。
“感知礦山”不僅能夠提高礦山的安全管理水平，它更多的是能夠增加生產(chǎn)，利用信息、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)感知并監(jiān)控礦區(qū)運(yùn)煤皮帶、煤倉、變電站等各個生產(chǎn)相關(guān)系統(tǒng)，很大程度上提高了礦區(qū)的自動化生產(chǎn)水平。實(shí)施“感知礦山”的重點(diǎn)是將與安全生產(chǎn)相關(guān)的感知層設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。在礦區(qū)建設(shè)生產(chǎn)過程中，所使用的傳感器生產(chǎn)廠商不一，協(xié)議接口也就不一致，更甚者，在早期建設(shè)的項(xiàng)目中，有些設(shè)備是沒有智能接口的。總之，全而感知礦山的基礎(chǔ)就是將設(shè)備全面接入傳感網(wǎng)絡(luò)對礦區(qū)進(jìn)行多層次實(shí)時監(jiān)測。
2 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)總體采用分布式架構(gòu)，如圖1所示，將視頻監(jiān)控與語音對講等數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)預(yù)警、報警與視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的聯(lián)動，提高礦井的安防水平和快速反應(yīng)能力。整個遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用井下分控、礦區(qū)總控、各級安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)三級構(gòu)架組成的多層監(jiān)測模式。各級安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)可實(shí)時查看所轄礦區(qū)的安全生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)。每個礦區(qū)設(shè)一個總控室對各礦井進(jìn)行管理，各礦井設(shè)分控室對應(yīng)礦井內(nèi)各種傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理。
傳輸網(wǎng)絡(luò)：各級安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)和各礦區(qū)之間通過監(jiān)控專網(wǎng)連接；各礦區(qū)內(nèi)分控與總控之間采用專用IP網(wǎng)絡(luò)連接；
前端系統(tǒng)：分控室前端采取模數(shù)結(jié)合、集中編碼的方法，按自成系統(tǒng)、獨(dú)立管控（含控制、存儲）的要求來構(gòu)成。前端系統(tǒng)能獨(dú)立完成安防及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有基本功能。
總控系統(tǒng)：由于前端系統(tǒng)功能較強(qiáng)大和完善，總控系統(tǒng)就顯得相對簡單，總控室的任務(wù)可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場情況向更重要的目標(biāo)轉(zhuǎn)移，使系統(tǒng)更具針對性和實(shí)用性。本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、VGA上墻，屏幕墻采用兩個由4×46寸液晶屏的拚屏屏幕墻；
傳感器系統(tǒng)：分控部分集成了瓦斯、壓力、光纖（用于監(jiān)測頂板應(yīng)力、應(yīng)變、彎曲、裂縫、蠕變及位移等參數(shù)變化）、漏電檢測傳感器、溫度、氣體、濕度等等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對井下生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的全局監(jiān)控。
對講系統(tǒng)：總控室與崗樓、門衛(wèi)值班室、各分區(qū)分控室配備相應(yīng)的對講系統(tǒng)。系統(tǒng)為總線制的二級網(wǎng)聯(lián)結(jié)構(gòu)，具備全雙工呼叫對講、任意一點(diǎn)一址監(jiān)聽、任意一點(diǎn)一址（或多址、全址）廣播、與視頻的聯(lián)動報警等功能。
2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
井下分控單元需要將各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理和傳輸，根據(jù)這一需求和井下具體環(huán)境的影響，本文采用基于ZigBee的無線傳感器自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已經(jīng)不同傳感器應(yīng)用形式和環(huán)境，將井下傳感器均做成傳感器節(jié)點(diǎn)的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與基本處理功能。 基于ZigBee的傳感器單元硬件組成如圖2所示，包括電源模塊、無線收發(fā)模塊、接口電路、串口模塊、傳感器、微處理器等。考慮到zigBee模塊要需要安裝ZigBee協(xié)議棧，微處理器需要自帶一個一定容量的可編程flash存儲器，因此ZigBee模塊的微處理器需要采用8位或16位的高性能單片機(jī)。
2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳感器單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括，模塊的定義、系統(tǒng)參數(shù)初始化設(shè)置和模塊功能實(shí)現(xiàn)三個部分。模塊定義主要根據(jù)應(yīng)用要求定義模塊是FFD還是RFD，從而確定節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)和軟件內(nèi)核的規(guī)模。系統(tǒng)參數(shù)初始化主要進(jìn)行協(xié)議棧的配置，參數(shù)初始化流程如圖3所示。首先定義系統(tǒng)的時鐘信號，然后定義ZigBee芯片所連接的MCU類型和型號，接下來定義通信模塊性質(zhì)，即通信模塊是全功能節(jié)點(diǎn)還是精簡功能節(jié)點(diǎn)，再接著定義模塊的工作頻率和電源管理方式及ZigBee網(wǎng)絡(luò)層和MAC層的參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)地址、節(jié)點(diǎn)所屬接口、集群等。
3 安全策略
ZigBee采用了分級的安全性策略：無安全性、接入控制表、32比特AEs和128比特AES。如果系統(tǒng)是用于安全性要求不高的場景，可以選擇級別較低的安全措施，從而換取系統(tǒng)成本和功耗的降低；反之，在安全性要求較高的應(yīng)用場景（如軍事），l丁以選擇較高的安全級別。這樣，廠l衍可以綜合考慮功耗、系統(tǒng)處理能力、成木和應(yīng)用環(huán)境等方面因素而采取適當(dāng)?shù)陌踩墑e。藍(lán)牙協(xié)議在基帶部分定義了設(shè)備鑒權(quán)和鏈路數(shù)據(jù)流加密所需要的安全算法和處理過程。設(shè)備的鑒權(quán)是強(qiáng)制性的，所有的藍(lán)牙設(shè)備均支持鑒權(quán)過程，而鏈路的加密則是可選擇的。藍(lán)牙設(shè)備的鑒權(quán)過程是基于問詢一響應(yīng)模式和共享的加密方式。為了使藍(lán)牙鏈路的數(shù)據(jù)流具有隱蔽性，可以使用1比特的流密碼對鏈路進(jìn)行加密。密鑰大小隨著每個基帶分組數(shù)據(jù)單元傳輸而改變。加密密鑰可以從對設(shè)備鑒權(quán)中得到。這意味著，在使用鏈路加密之前，兩個設(shè)備之間至少已經(jīng)進(jìn)行了一次鑒權(quán)。密鑰的最大長度為128比特。
4 系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）對煤礦進(jìn)行多部門、多層次立體網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)管，顯著增加各種違規(guī)操作的成本，進(jìn)而提高煤礦安全監(jiān)管水平；
（2）利用ZIGBEE技術(shù)，形成礦區(qū)局部自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)各項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)的實(shí)時立體監(jiān)管；
（3）考慮國家能源信息的敏感性，建立了多種信息加密機(jī)制，提高整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的安全性能。
5 結(jié)語
本文面向煤礦，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立了多部門、多層次的遠(yuǎn)程安全監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了整個系統(tǒng)的軟硬件平臺，初步對系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果標(biāo)明達(dá)到了精度及穩(wěn)定性的要求。由于單片機(jī)的擴(kuò)展性，該系統(tǒng)未來還可根據(jù)被檢測對象的實(shí)際需求配置不同的生理數(shù)據(jù)采集終端，具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。
摘要：基于以太環(huán)網(wǎng)的安全監(jiān)測系統(tǒng)給地方煤礦的安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展提供一個平臺，將多個相距較近的礦井合并采用一套基于以太環(huán)網(wǎng)的安全監(jiān)測系統(tǒng)，再聘用專業(yè)人員統(tǒng)一進(jìn)行管理，從而充分發(fā)揮了安全監(jiān)測系統(tǒng)的功能，確保礦井安全生產(chǎn)又節(jié)約大量成本。
關(guān)鍵詞：以太環(huán)網(wǎng) 安全監(jiān)測 應(yīng)用
近年來特別是國家對于煤礦瓦斯災(zāi)害的治理制定了一系列重大方針，其中“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”瓦斯治理十二字方針尤為重要。實(shí)踐證明，對于地方煤礦來說，在落實(shí)并實(shí)施“十二字”方針中，建立健全以監(jiān)測監(jiān)控瓦斯通風(fēng)參數(shù)為核心的煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)），特別是管好用好煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，是建立防治瓦斯災(zāi)害的長效機(jī)制，遏制重大瓦斯事故，保證礦井安全生產(chǎn)的重大舉措。堅(jiān)持裝備并管好用好監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，采用先進(jìn)的監(jiān)測監(jiān)控手段，準(zhǔn)確地反映煤礦井下瓦斯通風(fēng)參數(shù)的狀況及變化，及時地對作業(yè)地點(diǎn)和被控區(qū)域?qū)嵭袌缶?、斷電，進(jìn)而采取果斷措施進(jìn)行處置，具有更重要的意義。
1、目前地方煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀
在地方煤礦中，由于大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦技術(shù)力量嚴(yán)重缺乏；沒有監(jiān)測監(jiān)控方面的專業(yè)隊(duì)伍；管理人員及工人技術(shù)及文化素質(zhì)低，缺乏對監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)及其配套設(shè)備的原理、功能、性能、故障原因及檢測、維修、維護(hù)方法的了解，因而監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生故障，無力維護(hù)和排除。使監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不但沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，設(shè)置完全失去了存在的必要。
對在用的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)缺乏嚴(yán)格的體系管理，監(jiān)管不力，如人員配備、規(guī)章制度、專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)等；監(jiān)控系統(tǒng)管理員職責(zé)不清。
綜上所述，在地方煤礦中，為將安全事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)，從根本上減少和杜絕重大瓦斯事故的發(fā)生，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，研究在地方煤礦中監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)裝備、使用、管理中應(yīng)采取的對策，提高裝備、使用和管理水平，發(fā)揮煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的“礦山安全衛(wèi)士”的重要作用，已勢在必行。
2、地方煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)裝備、使用、管理應(yīng)采取的對策
近年以來，根據(jù)煤礦安全的實(shí)際狀況，國家不斷加大安全投入，并經(jīng)相關(guān)部門提出了一系列關(guān)于在“雙高”、“雙突”礦井安裝煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的要求，各省、市、地區(qū)也積極采取措施、挖掘資金渠道，落實(shí)中央的部署，取得了決定性的成果。
針對有相當(dāng)一部分地方煤礦具有相距較近的特點(diǎn)，這就給當(dāng)前自動化領(lǐng)域內(nèi)的基于以太環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測控架構(gòu)的安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了更好發(fā)展的舞臺，以太環(huán)網(wǎng)測控架構(gòu)下的安全監(jiān)測系統(tǒng)具有高速、大容量、開放性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以將附近各個小煤礦的安全監(jiān)測系統(tǒng)合并一套使用。各煤礦節(jié)省了中心站設(shè)置。節(jié)約成本投入。加之基于IP的Internet網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)很大程度解決各種測控設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備風(fēng)各種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的問題，增加系統(tǒng)通信的靈活性。而基于TCP/IP的測量、控制和管理一體化技術(shù)將測量、控制和信息管理結(jié)合起來，通過系統(tǒng)各要素之間充分協(xié)調(diào)配合，使系統(tǒng)整體達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)。完全能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能?；谝蕴h(huán)網(wǎng)下的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是依靠其強(qiáng)大的遠(yuǎn)程化、智能化的測控功能，從而實(shí)現(xiàn)煤礦各類參數(shù)監(jiān)控。
3、基于以太環(huán)網(wǎng)下安全監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)
基于以上原則，圖1設(shè)計(jì)了所示的基于以太環(huán)網(wǎng)下各個煤礦的安全監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)，圖中描述了測量、控制設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相互連接組成一個安全監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)構(gòu)成主要分為以下二網(wǎng)絡(luò)層次：
第一網(wǎng)絡(luò)層次：是各被控設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控裝置連成一個監(jiān)控網(wǎng)，各傳感器送來的狀態(tài)信號通過裝置的輸入端口輸入，供單片機(jī)處理、傳送、控制指令由輸出端口輸出到設(shè)備的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)，串行接口作為設(shè)備與監(jiān)控裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的擴(kuò)展接口和連接微機(jī)的虛擬控制臺接口。
第二網(wǎng)絡(luò)層次：是區(qū)域以太環(huán)網(wǎng)。在這一層次中，各煤礦的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等連成一個局域內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，有較高的安全性。
采用上述方法的特點(diǎn):
(1)網(wǎng)絡(luò)化智能監(jiān)控裝置成為一個監(jiān)控信息匯集平臺。各煤礦監(jiān)控裝置通過第一層次和第二層次的銜接點(diǎn)，對輸入的普通模擬信號進(jìn)行辨識并處理，然后進(jìn)行編碼并通過網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)遠(yuǎn)方的請求，同時監(jiān)控裝置也可對接收自網(wǎng)絡(luò)的有效數(shù)據(jù)指令進(jìn)行解釋，以決定在相應(yīng)的端口輸出操作信號，通過以太環(huán)網(wǎng)平臺的處理和轉(zhuǎn)換，普通的設(shè)備不需要處理復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測控。
(2)該結(jié)構(gòu)能更高效的使用網(wǎng)絡(luò)資源。裝置接入層與以太環(huán)網(wǎng)連接，采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可以在競爭占用總線的工作狀態(tài)下，也可以利用交換機(jī)采用專線連接滿足特定場合的實(shí)時性的要求。
(3)該結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了信息網(wǎng)與控制網(wǎng)的有效結(jié)合的特點(diǎn)。在很多測控場合，測控數(shù)據(jù)對控制有非常嚴(yán)格的實(shí)時性要求，將信息網(wǎng)與控制網(wǎng)相結(jié)合構(gòu)成一種質(zhì)優(yōu)價廉、靈活性高的綜合測控系統(tǒng)。
4、該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)實(shí)例
本人所在的寧夏松山工貿(mào)公司下屬有兩個礦井相距不足三公里，采用北京康斯培克生產(chǎn)的KJ31N型煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，目前我們將下屬的兩個礦井KJ31N型煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)通過以太環(huán)網(wǎng)合并成一個系統(tǒng)，節(jié)省了四個微機(jī)員人工工資，并節(jié)省一整套中心站系統(tǒng)的投入，且將兩個監(jiān)測系統(tǒng)合并后管理相對集中方便。各項(xiàng)功能完全符合《（AQ6201-2006）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》、《（AQ1029-2007）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》等相關(guān)要求。
摘要： 在當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的新形勢下，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在那些傳輸數(shù)據(jù)量較少，使用電池供電，設(shè)備成本較低的應(yīng)用場合應(yīng)用最為廣泛?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，國家也不斷提高煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求，為了迎合企業(yè)長遠(yuǎn)健康發(fā)展的需要，煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)走進(jìn)國內(nèi)各大煤礦企業(yè)。本文探討了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；煤礦安全；監(jiān)測系統(tǒng)
1 無線傳感器的概念
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、遙測、遙控技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，是一個范圍廣、動態(tài)性、自組織和可靠的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的一個新的研究領(lǐng)域，其研究、開發(fā)和應(yīng)用，關(guān)系到國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各個重大方面，在國際上引起了廣泛的重視和大量的投入，并廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、安全、醫(yī)療、探測以及家庭和辦公環(huán)境等很多方面，被認(rèn)為是將對本世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)
2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅具有傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)動態(tài)、多跳、自組織的特點(diǎn)，而且還具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)是自組織的無線局域網(wǎng)絡(luò)，它是由很多節(jié)點(diǎn)組成的，其主要原因是希望傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流（這主要通過移動管理技術(shù)和動態(tài)路由實(shí)現(xiàn)），另外，傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都能夠進(jìn)行移動，具有復(fù)雜多變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)必須通過電源持續(xù)供電。與之相反，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要集成了監(jiān)測、控制以及無線通信功能，顯著的優(yōu)點(diǎn)是它具有更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)分布更為密集。
2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層都設(shè)計(jì)到三個管理：能量管理、任務(wù)管理和移動管理。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)任務(wù)管理，給各個子網(wǎng)和傳感器節(jié)點(diǎn)分配監(jiān)測任務(wù)，應(yīng)用層也考慮移動管理。網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)能量管理和移動管理 （例如SAR協(xié)議）。物理層有能量管理，但是較少考慮移動管理和任務(wù)管理問題。
3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)
3.1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的提出 煤炭開采主要工作地點(diǎn)是在離地面幾百米的井下，環(huán)境復(fù)雜、惡劣，巷道狹窄、濕熱，地面凹凸不平，四周被煤炭和煤矸石包圍，還安放了液壓支架、運(yùn)煤鋼軌、風(fēng)門以及動力線等設(shè)備，各種機(jī)械不時的發(fā)出噪音。在煤礦井下，無線電波的傳播具備其自身的特點(diǎn)，所以，在進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的過程中，必須進(jìn)行謹(jǐn)慎的思考，并作出認(rèn)真的需求分析和設(shè)計(jì)，避免不必要的問題的產(chǎn)生。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中采用的2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，就能夠滿足井下環(huán)境對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。
基于無線傳感器的井下采煤工作面安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜，它涉及到整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用目的、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等。基于無線傳感器的井下采煤工作面安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用的設(shè)計(jì)，主要就是為了能夠在巷道狹窄、濕熱，地面凹凸不平，四周被煤炭和煤矸石包圍，還安放了液壓支架、運(yùn)煤鋼軌、風(fēng)門以及動力線等設(shè)備，各種機(jī)械不時的發(fā)出噪音的井下進(jìn)行煤礦環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，同時，通過基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，能夠進(jìn)行井下采煤工作面安全環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸，實(shí)時反饋井下采煤工作面的各種信息。通過對井下環(huán)境的考察和分析，并結(jié)合煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際需求，最終確定了基于ZigBee的井下采煤工作面安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。
3.2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求及性能指標(biāo) 井下采煤工作面安全監(jiān)測系統(tǒng)是通過ZigBee協(xié)議的使用，以及IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的采用，從而實(shí)現(xiàn)的一個無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，這個無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是一個速率比較低、距離比較短的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且，這個無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)具備比較低的射頻傳輸成本。
主要性能指標(biāo)如下：
①組網(wǎng)與通信：完成無線傳感器眾多的不同的節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的無線通信，并且能夠?qū)崿F(xiàn)這些節(jié)點(diǎn)之間的自組網(wǎng)絡(luò)，同時，也能夠提供服務(wù)支持給基礎(chǔ)和管理服務(wù)層。
②通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：ZigBee協(xié)議和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。
③網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)狀的。
④應(yīng)用系統(tǒng)：可以實(shí)現(xiàn)通用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的提供，同時，也可以實(shí)現(xiàn)面向各個不同領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的提供。
⑤管理與基礎(chǔ)服務(wù)：通過組網(wǎng)與通信部分提供的服務(wù)，可以提供服務(wù)支持給應(yīng)用系統(tǒng)。
⑥數(shù)據(jù)傳輸速率：250KBps。
⑦調(diào)制方式：DSSS（O-QPSK）。
⑧使用頻段：2.4-2.483GHz。
⑨節(jié)點(diǎn)功耗：5OmW-300mW。
⑩接收靈敏度：-94dBm的接收靈敏度。
{11}時延：進(jìn)行激活或信道接入的時延是15ms，進(jìn)行設(shè)備搜索的時延是30ms。
{12}節(jié)點(diǎn)間通信范圍：75m-100m。
4 結(jié)束語
煤礦無線監(jiān)測作為一個新興的研究領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，并且通過對比各種應(yīng)用于井下無線通信技術(shù)的特點(diǎn)，選擇了ZigBee技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信平臺，實(shí)現(xiàn)對井下各種環(huán)境及生產(chǎn)參數(shù)全方位、實(shí)時監(jiān)測和智能預(yù)警，以大大降低煤礦生產(chǎn)安全隱患。
摘要: 為了滿足煤礦瓦斯監(jiān)測的需要, 開發(fā)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能化瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)字瓦斯傳感器實(shí)時檢測瓦斯, 提高了測量精度; 采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 避免了其它無線通信技術(shù)高功耗的缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: 煤礦；瓦斯監(jiān)控； 數(shù)字瓦斯傳感器；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；AVR 單片機(jī)
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)主要由流量傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn) 2 個部分組成，流量傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集以及將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，并且負(fù)責(zé)將各個子節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)硬件原理如圖 1 所示。
1.1 微處理器模塊
系統(tǒng)采用 AT mega128L 單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)的微處理器。AT mega128L 采用精簡指令集 (RISC) 結(jié)構(gòu),加上哈佛總線的存儲器結(jié)構(gòu)、兩級流水線指令結(jié)構(gòu)、單周期指令等技術(shù), 大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。AT m ega128L 具備以電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所需的主要功能, 包括納瓦功耗管理、自編程閃存程序存儲及先進(jìn)的模擬、控制和通信外設(shè)。采用A T mega128L與射頻收發(fā)器CC2430結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)了高度集成、成本低廉的節(jié)點(diǎn)。
1.2無線收發(fā)模塊
無線收發(fā)模塊是一個射頻集成電路模塊,作為無線網(wǎng)絡(luò)的物理層射頻前端實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。本系統(tǒng)選用CC2430射頻芯片。CC2430延用了以往 CC2420 的架構(gòu),在單個芯片上整合了ZigBee 射頻( RF ) 前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8 位M CU, 具有 128 KB 可編程閃存和 8 KB 的 RAM,還包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時器、AES- 128 協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kH z 晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及 21 個可編程I/ O 引腳。CC2430 采用 0. 18m CM OS 工藝生產(chǎn), 工作時的電流損耗為 27 mA; 在接收和發(fā)射模式下, 電流損耗分別低于 27 mA 或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性,特別適用于電池壽命要求較長的場合。
1.3報警和顯示模塊
系統(tǒng)采用 128× 64 的圖形點(diǎn)陣式 H G128643 液晶顯示器進(jìn)行流量顯示, 利用 AT mega128L 的2 個端口分 別驅(qū) 動 1 個蜂鳴器和1 個高亮度的紅色L ED 來進(jìn)行流量越限聲光報警。HG 128643 液晶顯示模塊是使用 KS0108B及其兼容控制驅(qū)動器作為列驅(qū)動器, 同時使用 KS0107B 及其兼容驅(qū)動器作為行驅(qū)動器的液晶模塊。由于KS0107B不與 M PU發(fā)生聯(lián)系, 只要提供電源就能產(chǎn)生行驅(qū)信號和各種同步信號, 故設(shè)計(jì)較為簡單。另外, 該液晶顯示器能顯示 ASCII 字符、漢字和各種曲線, 可與單片機(jī)連接構(gòu)成功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)簡單的人機(jī)界面, 因此,廣泛用于各種智能儀表和控制系統(tǒng)。
1.4 串口模塊
串口電路只有網(wǎng)關(guān)( sink) 節(jié)點(diǎn)才有。sink節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)中特殊的節(jié)點(diǎn), 負(fù)責(zé)嵌入式計(jì)算機(jī)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信, 向下級節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令, 接收下級節(jié)點(diǎn)回傳的數(shù)據(jù)并由串口發(fā)送給嵌入式計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)選用低電壓高速傳輸?shù)?RS232 收發(fā)器M AX3318。MAX3318工作電壓為 2. 5~ 3 V, 傳輸速率可達(dá) 460 kbit / s, 滿足接收器和嵌入式計(jì)算機(jī)之間的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?工作溫量為 - 40~+ 85, 能適應(yīng)煤礦井下惡劣的環(huán)境。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1WSN 通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
根據(jù)井下的具體情況, 決定采用簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是將很大的網(wǎng)絡(luò)化分成若干獨(dú)立區(qū)域, 在這些區(qū)域內(nèi), 數(shù)據(jù)獨(dú)立地進(jìn)行處理和匯聚。在每一簇內(nèi)部的通信可以是單跳也可以是多跳通信。上級網(wǎng)絡(luò)將利用更高的傳輸帶寬, 或者將上級網(wǎng)絡(luò)連接到一個有線網(wǎng)絡(luò)上, 再通過基站接入井下環(huán)網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳到井上來。
2.2匯聚節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn),也可以是沒有監(jiān)測功能、僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。匯聚節(jié)點(diǎn)具有 2 種功能: 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能和數(shù)據(jù)傳輸功能，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能主要是負(fù)責(zé)組建 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址及維護(hù)綁定表。數(shù)據(jù)傳輸功能主要是充當(dāng) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān), 將 2 個使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接在一起, 實(shí)現(xiàn) 2 種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。所有流量傳感器節(jié)點(diǎn)將所采集到的傳感器數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)上, 匯聚節(jié)點(diǎn)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后通過串口傳給嵌入式計(jì)算機(jī); 另一方面, 匯聚節(jié)點(diǎn)接收嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù), 并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)程序流程如圖 2 所示。
2.3流量傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
流量傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn), 同時接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時轉(zhuǎn)入休眠模式, 節(jié)點(diǎn) 功耗降到最低。流量傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖 3 所示。
主程序初始化相應(yīng)的寄存器和變量及相應(yīng)的管腳后, 進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)負(fù)責(zé)對外部傳感器信號轉(zhuǎn)換后的電壓信號進(jìn)行采樣及處理, 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的值, 并送到對應(yīng)的緩沖區(qū), 然后判斷是否超限, 若是則啟動相應(yīng)的報警程序, 否則結(jié)束此次循環(huán)。
3 測試結(jié)果
將按上述方案設(shè)計(jì)的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦井下進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn), 測試結(jié)果如表1所示。從表1可看出, 該系統(tǒng)測量誤差較小, 能夠滿足使用要求。測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差主要是由于傳感器本身存在誤差以及井下環(huán)境的限制所致, 但網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中幾乎不會引入誤差,而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
4 結(jié)束語
本文提出了一種以AT mega128L單片機(jī)為中央處理器, 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集監(jiān)測、顯示、報警、通信等多功能于一體的智能瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。它充分利用 AT m eg a128L 集成度高、功能強(qiáng)、體積小、功耗低、性能可靠等特點(diǎn), 同時利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸, 有效地實(shí)現(xiàn)了對煤礦井下瓦斯的實(shí)時監(jiān)測。
摘要：網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，也在煤礦行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了一定的良好效果，這體現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力。隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤礦的災(zāi)害也嚴(yán)重影響了煤礦的安全高效生產(chǎn)，比如有頂板事故、突水事故、瓦斯事故、粉塵危害等幾大災(zāi)害，其中瓦斯災(zāi)害就是其中影響最為嚴(yán)重的一種。因此，針對開灤林西礦業(yè)公司提高安全生產(chǎn)的需要，對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝以及監(jiān)測系統(tǒng)的理念進(jìn)行了闡述，并對整套系統(tǒng)的銜接進(jìn)行了描述。這種礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的管理模式在煤礦生產(chǎn)中正快速的發(fā)展中，對提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有著巨大的作用。
關(guān)鍵詞：礦井瓦斯；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)； KJ2000N系統(tǒng)；安全管理
1、前言
眾所周知，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷向前發(fā)展，也在煤礦行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了一定的良好效果，這體現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力。在煤礦生產(chǎn)過程中，存在著很多災(zāi)害直接影響煤礦的安全生產(chǎn)，比如有頂板事故、突水事故、瓦斯事故、粉塵危害等幾大災(zāi)害，其中瓦斯災(zāi)害就是其中影響最為嚴(yán)重的一種，因此，要保證煤礦生產(chǎn)安全高效的運(yùn)行，必須有效防治瓦斯災(zāi)害。淮浙煤電公司顧北煤礦現(xiàn)用KJ2000N型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。這種礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的管理模式在煤礦生產(chǎn)中正快速的發(fā)展中，對提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有著巨大的作用。KJ2000N系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)過程中對于煤礦瓦斯的治理有以下幾個主要作用：第一，由于在井上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其環(huán)境給操作者提供了簡潔易用的界面。第二，還可以對井下的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行自行處理和編輯，同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。第三，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時候，可以在井上處理，方便工程技術(shù)人員對通風(fēng)系統(tǒng)的管理。第四，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的連續(xù)傳輸和對工作面的實(shí)時監(jiān)測，也可實(shí)現(xiàn)超限報警，自動斷電。
2、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)簡介
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
KJ2000N系統(tǒng)由地面中心站、網(wǎng)絡(luò)傳輸接口、井下分站、井下防爆電源、各種礦用傳感器、礦用機(jī)電控制設(shè)備及KJ2000N安全生產(chǎn)監(jiān)測軟件組成。地面中心站是整個系統(tǒng)的控制中心，安裝在地面計(jì)算機(jī)房。井下部分包括：KJ2007(F，G等)井下分站，KDW6B隔爆兼本質(zhì)安全型電源，各種安全、生產(chǎn)監(jiān)測傳感器，報警箱和斷電控制器等。井下分站和傳感器安裝在井下具有煤塵、沼氣、一氧化碳等危險氣體的環(huán)境中，對煤礦井下的各種安全、生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和處理，并將安全生產(chǎn)參數(shù)及時傳輸?shù)降孛嬷行恼?。各種數(shù)據(jù)由分站和中心站處理，并能按要求直接發(fā)出聲、光報警和斷電控制信號。地面中心站經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸接口采用光纜與井下分站聯(lián)結(jié)通訊。當(dāng)前情況下，煤礦生產(chǎn)中所使用的監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)在各個生產(chǎn)工作面、掘進(jìn)面等一些主要的機(jī)電硐室均被廣泛應(yīng)用，正是由于KJ2000N礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦的廣泛使用，這樣使得煤礦傳統(tǒng)的單一的監(jiān)控模式得到了徹底的改變，通過KJ2000N系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、全面地了井下安全情況和生產(chǎn)情況，實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害事故的早期預(yù)測和預(yù)報，并能及時地自動處理。這樣既提高了煤礦的生產(chǎn)效益，又彌補(bǔ)了由于井下瓦斯員的疏忽大意所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)部準(zhǔn)確等原因造成的定時定點(diǎn)匯報的不足，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測監(jiān)控，并且可以利用監(jiān)測數(shù)據(jù)庫進(jìn)行安全趨勢分析研究，對井下災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，實(shí)現(xiàn)安全管理的雙保險。
圖一KJ2000N系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2 注意事項(xiàng)及相關(guān)建議
（1）按照要求及時對傳感器進(jìn)行調(diào)試、校正，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。
（2）及時捧除故障，加強(qiáng)系統(tǒng)維護(hù)，確保其正常運(yùn)行。
（3）必須按照要求設(shè)置傳感器的位置。隨著工作面的推進(jìn)，要及時調(diào)整傳感器的位置，使其真實(shí)反映井下的情況。
（4）備用監(jiān)控系統(tǒng)的操作與功能。當(dāng)由于人為或外界因素導(dǎo)致主監(jiān)控服務(wù)器的監(jiān)測應(yīng)用程序停止工作或服務(wù)器斷電等原因正常監(jiān)測不能進(jìn)行的時候，備用監(jiān)控服務(wù)器可在5 s內(nèi)人為手動打開監(jiān)測應(yīng)用程序，保證監(jiān)測的正常進(jìn)行，保證了用戶應(yīng)用程序的連續(xù)性。
（5）隨時和廠家聯(lián)系，及時解決安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的新問題。
3、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在各煤炭企業(yè)已形成的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，整個系統(tǒng)將建立兩級數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，形成一個“三層四級”網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。
(1)建立一級數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。
(2)在國有重點(diǎn)煤業(yè)集團(tuán)建立二級數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。
(3)在煤炭管理部門設(shè)立二級數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。
4、監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)管及意義
我們必須對一些高瓦斯礦井或者按照高瓦斯礦井管理的煤礦要有網(wǎng)絡(luò)式的監(jiān)管方式，這樣才能實(shí)現(xiàn)對礦井的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的有效管理，我們還必須要將這些數(shù)據(jù)上報到安全監(jiān)管部門，這樣便于上級部門對煤礦瓦斯進(jìn)行有效的監(jiān)管。各監(jiān)管部門的監(jiān)管人員應(yīng)該及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣可以更好的有效的對煤礦瓦斯進(jìn)行監(jiān)測和監(jiān)控，病區(qū)要將數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳到網(wǎng)上，方便工程技術(shù)人員參考，這種監(jiān)管模式對煤礦的安全高效生產(chǎn)能夠起到很好的監(jiān)督和監(jiān)控作用，同時這對煤礦安全生產(chǎn)形勢的穩(wěn)定好轉(zhuǎn)具有積極的意義。只有有效的保證煤礦瓦斯網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時監(jiān)控項(xiàng)目的實(shí)施，這樣才能夠使得煤礦安全又了進(jìn)一步的保證，電子警察的角色也就很好的扮演者，這樣對煤礦的多級管理也是一個很好的強(qiáng)化，這樣在煤礦生產(chǎn)中就形成了多級監(jiān)管體系和安全生產(chǎn)綜合信息網(wǎng)絡(luò), 如果在煤礦工作面出現(xiàn)了瓦斯超限等問題，礦監(jiān)控中心將立即報警，并且將報警的數(shù)據(jù)直接上報到監(jiān)控中心，便于煤礦領(lǐng)導(dǎo)部門更方便的查明超限原因和及時的采取有效的措施，將瓦斯事故消滅在萌芽狀態(tài)。對防止以瓦斯等惡性事故, 提高煤礦管理水平具有重要意義。這種監(jiān)控系統(tǒng)-----KJ2000N系統(tǒng)，對煤礦的瓦斯治理具有以下幾點(diǎn)重要意義。第一，這項(xiàng)工程很好的改造了煤礦瓦斯的監(jiān)控系統(tǒng)，對提高煤礦的安全管理和裝備水平都更好更快的提高。第二，以前對瓦斯實(shí)行的是填表上報，這樣有可能監(jiān)測瓦斯人員偷懶活者其他原因，不檢測數(shù)據(jù)，而是對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，然后上報，這樣使得數(shù)據(jù)極不真實(shí), 多數(shù)情況下也無法追溯核實(shí),這樣使得瓦斯事故在煤礦生產(chǎn)中高發(fā)的一個重要原因。第三，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不會改變煤礦的安全管理模式, 它為各級管理部門提供了實(shí)時監(jiān)控的工具，提高了工作效率。第四，有助于對煤礦的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀分析, 微觀指導(dǎo)。
5、結(jié)論
綜上所述， KJ2000N系統(tǒng)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，這樣既增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，同時還對整個系統(tǒng)的功能也是一個很好的完善和補(bǔ)充，對協(xié)調(diào)我國礦井設(shè)備落后與高生產(chǎn)效率要求之間的矛盾也有一定的指導(dǎo)意義，并且使得網(wǎng)絡(luò)在礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中得到了充分的應(yīng)用，這樣使得瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的功能能夠發(fā)揮到極致，這樣有助于對煤礦的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀分析, 微觀指導(dǎo)。督促煤礦把問題和隱患消滅在萌芽狀態(tài)。KJ2000N系統(tǒng)，實(shí)行通過網(wǎng)絡(luò)對瓦斯進(jìn)行監(jiān)測，這種礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的管理模式在煤礦生產(chǎn)中正快速的發(fā)展中，對提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益有著巨大的作用。從而為提高煤礦安全和經(jīng)濟(jì)效益，起到了積極作用。同時為井下工人的安全提供了進(jìn)一步的保證，把公司的管理提高到現(xiàn)代化管理水平。
摘要：針對常見煤礦井下環(huán)境檢測儀檢測參數(shù)單一、占用傳輸線較多的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了多傳感器融合的井下環(huán)境檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，使系統(tǒng)決策更加科學(xué)合理，同時減少了巷道內(nèi)的走線數(shù)量。實(shí)際使用表明，系統(tǒng)具有較好的實(shí)時性、可靠性，并具有良好的擴(kuò)展和升級能力。
關(guān)鍵詞：μc/OS-II；煤礦；環(huán)境監(jiān)測；任務(wù)規(guī)劃
引言
為保障煤礦安全生產(chǎn)和職工人身安全，早在2001年國家煤礦安全監(jiān)察局就頒布并實(shí)施了《煤礦安全規(guī)程》，并不斷對之做出修訂?！睹旱V安全規(guī)程》對煤礦井下安全工作環(huán)境、報警方法等做了詳細(xì)規(guī)定。煤礦井下環(huán)境檢測的理論研究工作已趨于成熟，眾多相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)發(fā)表，國內(nèi)外也已有多款成型產(chǎn)品，例如凱茂CO 100精密型一氧化碳儀、cosmos X0-2200氧氣計(jì)。從現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，雖然已有的參數(shù)檢測設(shè)備能夠較好地滿足測量需求，但仍存在下述缺點(diǎn)：一，測量參數(shù)單一，無法對測量點(diǎn)的環(huán)境做出準(zhǔn)確的判斷，需要將數(shù)據(jù)傳送至地面做進(jìn)一步處理；二，每個檢測設(shè)備需要一路傳輸線。
針對上述問題，在對徐礦集團(tuán)旗下若干煤礦進(jìn)行設(shè)備更新項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了多傳感器融合的井下環(huán)境檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對井下環(huán)境做出更加科學(xué)合理的判定，降低誤報率。測量數(shù)據(jù)經(jīng)一路傳輸線傳送至井下分站，降低了走線成本和復(fù)雜度。本項(xiàng)目開發(fā)過程中使用了嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II，μC/OS-II的引入是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。本文介紹了嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded OperationSystem，EOS)相關(guān)概念和設(shè)計(jì)原則，并以煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程為例分析了基于μC/OS-II的實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)要點(diǎn)。
1嵌入式操作系統(tǒng)
EOS的概念容易和嵌入式系統(tǒng)混淆。簡而言之，EOS屬于軟件范疇，而嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，但并不是所有的嵌入式系統(tǒng)都必須使用EOS。從技術(shù)角度來講，EOS是一種用途廣泛的的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。
對于實(shí)時多任務(wù)EOS的開發(fā)，關(guān)鍵是合理地進(jìn)行任務(wù)劃分。對于任務(wù)的劃分，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也很少有相關(guān)論文對任務(wù)劃分的原則有較詳細(xì)的介紹。本文列出本項(xiàng)目任務(wù)劃分所依據(jù)的主要原則：
(a)解耦原則：任務(wù)之間的耦合關(guān)系是影響軟件復(fù)雜度的重要因素，緊密相關(guān)的功能應(yīng)盡量組成一個任務(wù)，以減少任務(wù)耦合；應(yīng)盡量使用數(shù)據(jù)耦合，少用控制耦合和特征耦合。具體方法可參見軟件工程類書籍。
(b)實(shí)時性原則：大多數(shù)商業(yè)內(nèi)核都是占先式實(shí)時內(nèi)核，即在就緒條件下，內(nèi)核總是運(yùn)行優(yōu)先級最高的任務(wù)，因此對實(shí)時性要求高的功能應(yīng)采用高優(yōu)先級任務(wù)實(shí)現(xiàn)，占用CPU時間較長的任務(wù)應(yīng)盡量賦予較低的優(yōu)先級。
(c)I/0決定原則：對每個獨(dú)立的硬件(例如GPIO)進(jìn)行操作的驅(qū)動程序應(yīng)放在一個任務(wù)中完成，以避免資源沖突。
任務(wù)的劃分不能一成不變地遵循上述原則，必須結(jié)合項(xiàng)目的特點(diǎn)和需求作具體的分析，下文以μC/OS-II在煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用來說明。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)[4]分析指出，煤礦井下環(huán)境參數(shù)的檢測至少應(yīng)包括可燃性氣體、02、CO和溫度的測量。經(jīng)過現(xiàn)場考察也發(fā)現(xiàn)在井下巷道內(nèi)眾多地點(diǎn)均需要對上述四個參數(shù)進(jìn)行檢測，因此設(shè)計(jì)了四參量環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)對檢測到的模擬、數(shù)字信號處理后顯示、決策(是否報警)并將數(shù)據(jù)傳送至分站。該項(xiàng)目需求分析如下：
提供簡單的用戶接口。采用液晶分時顯示測量結(jié)果，用戶通過按鍵查看指定參數(shù)。
提供煤礦常用傳輸接口。采集到的數(shù)據(jù)需要在地面實(shí)時顯示和存儲，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
正常檢測外的系統(tǒng)自檢功能等。
軟硬件設(shè)計(jì)具備良好的擴(kuò)展性，方便系統(tǒng)升級。
2.1硬件實(shí)現(xiàn)
據(jù)需求分析得出硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。MCU選用NXP公司的LPC2214，該芯片基于ARM7TDMI-S內(nèi)核，內(nèi)含256KB高速Flash，16KBSRAM；片內(nèi)集成8路10位ADC、兩個32位定時器(帶4路捕獲和4路比較通道)、6路PWM、多達(dá)9個外部中斷源；常用總線接口有1個12C接口、2個SPI接口、2個UART接口，完全滿足應(yīng)用及擴(kuò)展需求。
待測模擬量包括甲烷、CO、02三個參量，3個模擬量分別通過信號調(diào)理電路送入MCU片內(nèi)ADC；溫度信號由數(shù)字式單總線溫度傳感器DSl8820獲取；由于按鍵較少，可采用獨(dú)立按鍵直接連接至MCU的GPIO；液晶顯示模塊LCM需要模擬總線連接；傳輸接口采用井下常用的RS485接口，預(yù)留RJ45接口、CAN總線接口，在一定程度上提高系統(tǒng)的通用性。
2.2軟件實(shí)現(xiàn)
通過需求分析及硬件設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)任務(wù)較多，且需使用慢器件，如DSl8820、LCM，因此不適合使用簡單的“前后臺系統(tǒng)”，即應(yīng)用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)完成對應(yīng)的工作，用中斷服務(wù)程序處理異步事件。系統(tǒng)對實(shí)時性、可確定性、可靠性有較高需求，因此以μC/OS-II嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)完成軟件設(shè)計(jì)較為合適。
μC/OS-II是一個完全占先式實(shí)時內(nèi)核，即在滿足運(yùn)行就緒條件下，“C/OS-II總是運(yùn)行優(yōu)先級最高的任務(wù)。應(yīng)用程序最多可以管理56個用戶任務(wù)，μC/OS-II提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如郵箱、消息隊(duì)列、信號量、內(nèi)存申請與釋放等。圖2是系統(tǒng)多任務(wù)規(guī)劃框圖，圖中每個方框代表一個任務(wù)。
由圖2可以看出，任務(wù)劃分結(jié)構(gòu)清晰，μC/OS-II的任務(wù)編寫具有一定的規(guī)律，從而方便了系統(tǒng)的擴(kuò)展。當(dāng)需要添加新的功能時，可以直接增加新任務(wù)，也可以修改已有的任務(wù)，這對軟件的維護(hù)是相當(dāng)有益的。在編寫任務(wù)代碼時，大量使用了指向任務(wù)實(shí)體的指針和數(shù)據(jù)傳遞指針，從而在一定程度上提高了程序的封裝性能，加強(qiáng)了任務(wù)模塊的可重用性。
3結(jié)論與展望
μC/OS-II采用基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度策略，因此在進(jìn)行任務(wù)劃分時，必須依據(jù)實(shí)時性原則為每個任務(wù)分配合適的優(yōu)先級。μC/OS-II的絕大部分源碼采用移植性很強(qiáng)的ANSI C編寫，因此具有很好地可移植性，但是C語言是面向過程的，不具有面向?qū)ο筇匦?，各功能模塊的通用性差。在開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員需要編寫大量相似的程序段，因此有必要開發(fā)面向?qū)ο蟮娜蝿?wù)表達(dá)模型，以及對應(yīng)的操作系統(tǒng)，進(jìn)一步提高軟件模塊的可重用性和可維護(hù)性。
摘要 中國能源需求持續(xù)增長，但是煤炭開采量和各種煤礦事故仍然居高不下，從而給國家財產(chǎn)和礦工生命造成巨大損失。為了應(yīng)對國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，同時繼續(xù)發(fā)展煤炭開采產(chǎn)業(yè)，煤礦安全工作正成為全國工業(yè)安全生產(chǎn)的重中之重。
關(guān)鍵詞 煤礦安全；監(jiān)測；改進(jìn)
1 多功能瓦斯氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備
研制基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包涵了多種科學(xué)技術(shù)，其中包括傳感器、嵌入式系統(tǒng)、無線通信、自動控制以及微電子技術(shù)等。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能是能夠完成實(shí)時監(jiān)測環(huán)境對象信息，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理并以無線方式經(jīng)過基站傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，把信息提供給網(wǎng)絡(luò)上的終端用戶以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)視以及控制。本項(xiàng)目研究和開發(fā)的多功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有低功耗的高性能、高可靠性、長傳輸距離等特點(diǎn)，支持面向井下煤礦行業(yè)應(yīng)用的多通路傳感器以及特殊需求功能的集成。
研發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，第一步要從硬件著手設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)以及每一個單元部分的功能，節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有低功耗、可重構(gòu)和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)；根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特性對嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行裁減優(yōu)化，利用最小的CPU占用率對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全面控制。
普通傳感器節(jié)點(diǎn)具有功耗低，在節(jié)點(diǎn)全功率工作發(fā)射數(shù)據(jù)狀態(tài)下功耗可以控制在50mW以下，在接收信號狀態(tài)下功耗控制在25mW以下，在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式后功率可以控制在15mW以下。
節(jié)點(diǎn)具有通信距離遠(yuǎn)特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)之間通訊距離在開闊地可以達(dá)到300m以上，在室內(nèi)可以達(dá)到50m~100m，在井下也可以達(dá)到40m~60m；節(jié)點(diǎn)體積相對較小，傳感器節(jié)點(diǎn)體積可以控制在3cm×5cm×2cm以內(nèi)；節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可以在遠(yuǎn)程控制端對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作方式和功率等；集成了多種類型傳感器以及特殊功能要求（如定位），同時可以對環(huán)境進(jìn)行綜合判別；軟件設(shè)計(jì)采用了嵌入式軟件操作系統(tǒng)，具有體積小、效率高和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時由于該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，因此具有裁減性、方便修改和易于維護(hù)等特點(diǎn)。
2 移動井下人員定位技術(shù)和定位功能模塊
井下作業(yè)人員的流動性大以及工作環(huán)境復(fù)雜，一旦事故發(fā)生，井下人員的確切數(shù)量以及每個人所處的具體位置都很難確定，從而給營救工作帶來極大困難，常常會延誤營救的最佳時機(jī)并造成嚴(yán)重后果。另外，一旦意外事故發(fā)生遇難人員的具體位置不能確定，導(dǎo)致發(fā)生被困人員生死不明的情況。同時，為了避免挖掘中對人員的傷害便不能使用大的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行救援，從而導(dǎo)致救援進(jìn)展緩慢。如果能夠確定井下工作人員的確切位置便將會大大加快救援的進(jìn)度，這樣就有可能營救出更多的人員，從而把損失降到最低的限度。
1）系統(tǒng)定位方法和定位模塊
井下定位系統(tǒng)的采用集中的定位方式由管理中心進(jìn)行定位。定位步驟如下：首先布設(shè)網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點(diǎn)，保持網(wǎng)關(guān)之間的距離，再布設(shè)一些位置已知的參考節(jié)點(diǎn)保證每個移動節(jié)點(diǎn)至少要處于多個參考節(jié)點(diǎn)的射頻信號覆蓋范圍之內(nèi)。
欲定位時首先確定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相對于參考節(jié)點(diǎn)之間的位置，因參考節(jié)點(diǎn)的位置把移動節(jié)點(diǎn)相對參考節(jié)點(diǎn)的位置和參考節(jié)點(diǎn)的絕對位置相加，即可得到該移動節(jié)點(diǎn)的絕對位置。具體定位步驟如下：
首先進(jìn)行移動節(jié)點(diǎn)的相對定位來確定移動節(jié)點(diǎn)相對于參考節(jié)點(diǎn)的位置。采用的測距技術(shù)為無線電信號強(qiáng)度和無線電信號覆蓋關(guān)系相結(jié)合的技術(shù)。
RSSI測距是指無線射頻通信時，節(jié)點(diǎn)所接收到的射頻信號強(qiáng)度是隨距離衰減的，采用信號強(qiáng)度隨距離衰減模型并不增加額外裝置。
距離測量是節(jié)點(diǎn)定位時，通過檢測相鄰參考節(jié)點(diǎn)的無線信號強(qiáng)度來計(jì)算它們信號強(qiáng)度之比，利用RSSI計(jì)算出該員工到多個參考節(jié)點(diǎn)的距離。
位置計(jì)算指的是移動節(jié)點(diǎn)根據(jù)所計(jì)算得到的距離值，根據(jù)兩點(diǎn)、三邊以及三角測量法等方法，計(jì)算出該節(jié)點(diǎn)距離最近的網(wǎng)關(guān)的二、三維距離，從而實(shí)現(xiàn)了移動節(jié)點(diǎn)相對于參考節(jié)點(diǎn)的定位。
移動節(jié)點(diǎn)把得到的相對于參考節(jié)點(diǎn)的位置值傳送到網(wǎng)關(guān)，然后，加上自己的位置信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)管理中心，管理中心的計(jì)算機(jī)根據(jù)移動節(jié)點(diǎn)的位置和網(wǎng)關(guān)的位置就可以確定該移動節(jié)點(diǎn)在井下的絕對位置便實(shí)現(xiàn)移動節(jié)點(diǎn)的精確定位。
2）基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員實(shí)時定位系統(tǒng)
目前，井下定位一般采用射頻識別卡（RFID）的方式。員工隨身攜帶寫有唯一編號的電子射頻識別卡，巷道的詢問裝置發(fā)射詢問信號接收員工電子識別卡的應(yīng)答信號從而實(shí)現(xiàn)員工的定位。這種定位系統(tǒng)存在諸多問題，首先是定位精度低，它的定位精度取決于巷道詢問裝置間的距離，一般的電子識別卡定位方式中巷道詢問裝置的距離是幾十米的量級定位精度，不能精定位便對于緊急情況的救援只能提供有限的幫助。另外射頻卡一般是被動卡，從而只能應(yīng)答固定的詢問。在發(fā)生意外時員工僅僅依靠電子識別卡僅能確定事故發(fā)生之前的大概位置而不能與巷道詢問裝置進(jìn)行雙向通信。
3 用于煤礦生產(chǎn)安全實(shí)時監(jiān)控子系統(tǒng)管理平臺
基于已有的通用管理信息系統(tǒng)，針對煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控的特殊需求為煤礦管理者定制開發(fā)一個監(jiān)控管理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有用戶認(rèn)證數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢以及實(shí)時監(jiān)控等多項(xiàng)功能。配置了針對礦井應(yīng)用的專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和便于信息共享的Internet服務(wù)器。適用于各類氣體以及人員位置監(jiān)控的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)。本項(xiàng)目中的監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供基于GIS的和采用自定義條件方式的查詢、統(tǒng)計(jì)和報表功能。提供對所有監(jiān)測信息的數(shù)字信息、圖像或視頻的實(shí)時監(jiān)視。整個監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，能夠隨著需求的變化增加新的功能從而不斷地進(jìn)行完善具有良好的可擴(kuò)展能力。
4 技術(shù)趨勢
傳感器網(wǎng)絡(luò)有著巨大的應(yīng)用前景和發(fā)展空間，被認(rèn)為是將對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大沖擊的技術(shù)之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)以一種新的無處不在的主動式計(jì)算模式推動科技發(fā)展和社會進(jìn)步已成為國家競爭的焦點(diǎn)，從而關(guān)系到國家政治、軍事和社會安全等諸多方面。發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成推動新興傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)化的跨越式發(fā)展，對于我過在21世紀(jì)的國際戰(zhàn)略地位具有領(lǐng)先地位至關(guān)重要意義。
傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器、計(jì)算機(jī)嵌入式、分布式信息處理和通信技術(shù)等多個領(lǐng)域，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展既對各行業(yè)各學(xué)科的發(fā)展可以起到推動作用，但又強(qiáng)烈地依賴于各行業(yè)各學(xué)科的技術(shù)支撐。
【摘要】 介紹了一種基于CAN總線的煤礦通風(fēng)機(jī)主軸溫度自動測試系統(tǒng),通過對國內(nèi)外風(fēng)機(jī)主扇溫度檢測及通訊方法的分析、研究,確定了基于CAN總線的煤礦通風(fēng)機(jī)溫度自動測試系統(tǒng)的控制方案。以嵌入式單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了這一系統(tǒng),并給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。
【關(guān)鍵詞】 CAN總線;DS1820數(shù)字溫度傳感器;自動測試系統(tǒng)
一、系統(tǒng)工作原理
(一)CAN總線的特點(diǎn)和工作原理
CAN(controller area network)是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線是一種多主站總線,各節(jié)點(diǎn)都有權(quán)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。它可以通過簡單的協(xié)議,實(shí)現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境下的遠(yuǎn)距離實(shí)時數(shù)據(jù)的可靠傳輸,且硬件成本較低。主要特點(diǎn)可概括如下:CAN總線任一節(jié)點(diǎn)均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),不分主從;CAN總線上的節(jié)點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級,可以滿足不同的實(shí)時要求;借助接收濾波實(shí)現(xiàn)多地址的幀傳送;數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu),受干擾率低,數(shù)據(jù)幀的信息CRC校驗(yàn)及其它錯誤檢測措施;發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯而遭破獲的幀可以自動重發(fā);對于嚴(yán)重錯誤具有自動關(guān)閉總線功能,使總線其它操作不受影響。
CAN總線的接收數(shù)據(jù)長度最多為8個字節(jié),因而不存在占用總線時間過長的問題,可以保證通信的實(shí)時性。通信速率最多可達(dá)1Mbps(通信距離40m),通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(傳輸速率5kbps)。通信介質(zhì)可以是同軸電纜或光纖,甚至可以是雙絞線,其硬件接口簡單,編程方便,系統(tǒng)容易集成?；贑AN總線的以上特點(diǎn),它特別適用于系統(tǒng)分布比較分散、實(shí)時性要求高、現(xiàn)場環(huán)境干擾大的場合。智能節(jié)點(diǎn)能夠采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),并根據(jù)接收到的命令或者主動將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。通過事先設(shè)置驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點(diǎn)從總線上接收哪些數(shù)據(jù)或命令。如果某些數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步復(fù)雜的處理,則上位計(jì)算機(jī)可以從總線上接收數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)需要對某個節(jié)點(diǎn)施加控制動作時,可以采用點(diǎn)對點(diǎn)方式與該節(jié)點(diǎn)通訊;當(dāng)它要同時對所有節(jié)點(diǎn)施加控制動作時,可以采用廣播方式將命令發(fā)送到總線。這樣當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時完全可以沒有上位機(jī)的參與。大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸量,同時提高了系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。
(二)DS1820數(shù)字溫度傳感器特點(diǎn)
DS1820是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一種溫度測量傳感器,以數(shù)字形式串行輸出溫度測量值,改變了以往溫度傳感器需要加A/D轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的模式,可直接與單片機(jī)連接,接口電路大大簡化。DS1820的64位ROM存放著序號,前8位是產(chǎn)品類型編號,接著的48位是每個DS1820的唯一序號,最后8位是前美國微芯公司的PIC18F458 單片機(jī)集成了CAN 通信接口,執(zhí)行Bosch 公司的CAN2.0A/B 協(xié)議。它能支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B 協(xié)議的舊版本和CAN2.0B現(xiàn)行版本。使用PIC18F458 單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng),可以很方便的利用CAN總線與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它的優(yōu)點(diǎn)是電路接口比較簡單,只需很少的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)CAN 通信,受硬件限制比較少;軟件編程容易實(shí)現(xiàn)所需功能,只需對相關(guān)寄存器進(jìn)行正確設(shè)置即可。
DS1820的特點(diǎn)如下:僅一條線便可以完成讀或?qū)憯?shù)據(jù),一條總線上可掛任意多個DS1820 不需要外接元器件;溫度測量范圍為-55℃～125℃,分辨率為0.5℃;溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的時間為1s(典型值),DS1820含有兩個字節(jié)的寄存器,第一個存放著溫度值的符號,如溫度為正則全為1,否則全為0。第二個存放著溫度值的補(bǔ)碼。具體計(jì)算如下:先將寄存器中的溫度數(shù)字量求補(bǔ),再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制并除以二,即得被測溫度值。
二、系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
系統(tǒng)硬件由PIC18F458 單片機(jī)為控制核心,通過并行DS1820溫度傳感器,檢測出通風(fēng)機(jī)測點(diǎn)溫度,通過PIC18F458單片機(jī)信息處理,由CAN 通信接口信號處理器MCP2551進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸,系統(tǒng)通過LCD1602進(jìn)行就地溫度顯示,同時溫度信號通過MAX232串口與PC機(jī)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)測顯示。系統(tǒng)還具有溫度超限報警功能。美國微芯公司的PIC18F458 單片機(jī)集成了CAN 通信接口,執(zhí)行Bosch 公司的CAN2.0A/B 協(xié)議。使用PIC18F458 單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng),可以很方便的利用CAN 總線與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。優(yōu)點(diǎn)是電路接口比較簡單,只需很少的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)CAN 通信,受硬件限制比較少;軟件編程容易實(shí)現(xiàn)所需功能。
三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及抗干擾設(shè)計(jì)
1.初始化CAN 控制。在使用CAN 之前,必須對它的一些內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置,如CAN 控制寄存器CANCON、波特率寄存器BRGCONx 的設(shè)置以及對郵箱進(jìn)行初始化(初始化流程圖如圖1 所示)。
2.信息的發(fā)送。PIC18F458 有3 個發(fā)送郵箱緩沖器,每一個發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)長度可以設(shè)置為1～8 個字節(jié)長度,信息發(fā)送的具體步驟如下:(1)初始化發(fā)送郵箱;(2)設(shè)置相應(yīng)的發(fā)送請求位為1,即TXBxCON bits.TXREQ=1(x=1,2,3);(3)若CAN 總線允許發(fā)送,則啟動最高優(yōu)先級信息的發(fā)送;(4)若發(fā)送成功,則TXREQ 被清零,TXBxIF 被置1,如果中斷被使能,則會產(chǎn)生中斷;(5)若信息發(fā)送失敗,則TXREQ 保持為1,并置位相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志。
3.息的接收。IC18F458有2個具有多重接收濾波器的完全接收緩沖器和1 個單獨(dú)信息組合的緩沖器。接收郵箱初始化時,要設(shè)置其標(biāo)識符及相關(guān)的屏蔽寄存器、接收優(yōu)先級等。MAB 寄存器接收所有來自總線的下一條信息,RXB0 和RXB1 則接收來自協(xié)議驅(qū)動的完整信息。MAB 接收所有信息,只有滿足過濾條件的信息才被傳送到RXBx 中。程序?qū)崿F(xiàn)的是發(fā)送緩沖器0向接收緩沖器0發(fā)送數(shù)據(jù)的正常模式,其中接收采用中斷方式,發(fā)送采用查詢方式。
煤礦通風(fēng)機(jī)主軸溫度自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行一年的情況表明,系統(tǒng)信號傳輸距離長,信號傳輸質(zhì)量高,系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),工作穩(wěn)定。
[摘 要] 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的重要內(nèi)容是加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)管理，以防止煤礦事故的發(fā)生。所以，在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)工作中務(wù)必提高應(yīng)對各種突發(fā)事故的能力，因此加強(qiáng)煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的專業(yè)素質(zhì)至關(guān)重要，此外，還應(yīng)加強(qiáng)制度上的規(guī)范管理，不斷的提高煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，加強(qiáng)對現(xiàn)場的巡視和設(shè)備維護(hù)等都是必不可少的環(huán)節(jié)。筆者結(jié)合煤礦開采環(huán)境，對瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。
[關(guān)鍵詞] 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)； 煤礦； 安全生產(chǎn)
作為煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控工作的關(guān)鍵性內(nèi)容，信息的獲得無疑至關(guān)重要，而獲得信息的主要手段就是監(jiān)測技術(shù)。一般而言，通過煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)有的客觀資料，我們可以初步確定監(jiān)控的初始方案，進(jìn)而在煤礦工程運(yùn)營過程中根據(jù)監(jiān)測數(shù)值、經(jīng)驗(yàn)方法等內(nèi)容，開展反饋分析等工作，修正初步方案與施工網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，以保證工程按照最優(yōu)的設(shè)計(jì)與施工方案進(jìn)行。因此，監(jiān)控工作的重要性也就顯而易見了。針對我國煤礦工程質(zhì)量中的一些不安全因素，監(jiān)測技術(shù)在監(jiān)控中的應(yīng)用能夠很好的解決此類問題，它不但可以很好地掌握工程的工作運(yùn)營狀態(tài)，利用監(jiān)控數(shù)據(jù)對流量方案進(jìn)行整改，并指導(dǎo)開采質(zhì)量作業(yè)；還可以預(yù)見事故風(fēng)險，采取一系列的事前措施，給建筑的安全管理提供信息，將事故突發(fā)率降至最低，保證了煤礦安全生產(chǎn)的穩(wěn)定性。通過太陽能光伏技術(shù)，我們可以很好地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并廣泛應(yīng)用在瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，太陽能供電部分監(jiān)控結(jié)合了煤礦開采的相關(guān)特點(diǎn)，對煤礦地點(diǎn)的自然環(huán)境等因素進(jìn)行分析，確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化了供電系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，對煤礦領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控起到了一定的作用。
1 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作
1.1 規(guī)范制度，端正思想
一個良好的組織機(jī)構(gòu)，除具備較好的運(yùn)行機(jī)制和管理制度之外，還應(yīng)該具有健全的崗位制度而且能夠?qū)⒅瀼貓?zhí)行。因此，在煤礦安全生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控過程中，我們需要一個合適的監(jiān)控管理結(jié)構(gòu)，以便于明確各個工作人員的職權(quán)問題，保證個人任務(wù)到位，避免權(quán)力交叉和責(zé)任推諉的現(xiàn)象發(fā)生，這些問題都可以通過建立健全的崗位責(zé)任制度得以解決。此外，工作人員不但要對網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控知識有一定了解，思想上時刻保持著“安全第一”意識，保證將綜合自動化安全意識滲透到工作的每一個層面，全面提升安全作業(yè)人員的工作責(zé)任心與使命感。
1.2 加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備管理
加強(qiáng)設(shè)備巡視管理是網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控的重點(diǎn)，預(yù)防設(shè)備異常的發(fā)生是監(jiān)控運(yùn)行管理的主要內(nèi)容。為了保障監(jiān)控儀器的準(zhǔn)確性，應(yīng)該建立完善的設(shè)備定檢制度，儀器設(shè)備需要進(jìn)行定期的檢測，對于一些使用頻率高的儀器，更是要依據(jù)規(guī)定檢測并建立相應(yīng)的維護(hù)記錄以隨時了解其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，保證其正常的運(yùn)行和及時的維護(hù)。
1.3 提高瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)管理
由于煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)存在很大程度上的特殊性，而作為貫徹于瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)整個流程的重要要素，技術(shù)管理在中的作用不容小覷。因此，加強(qiáng)設(shè)備的絕緣監(jiān)督工作，利用聲波檢測、光譜分析等監(jiān)督手段，及時地發(fā)現(xiàn)并排除故障無疑勢在必行。煤礦安全工作一旦脫離了技術(shù)的支持，就難以稱作是有效的工作。對于系統(tǒng)運(yùn)行工作的異常情況，及時采取跟蹤測溫，利用圖譜庫進(jìn)行分析對比，并提出檢測修改的建議，以此來加強(qiáng)設(shè)備的有效運(yùn)行。
2 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)
為達(dá)到網(wǎng)絡(luò)帶寬的預(yù)定要求，在瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采取分層瓦斯轉(zhuǎn)發(fā)、本地局域網(wǎng)組播的設(shè)計(jì)方案，也就是在每個網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)設(shè)瓦斯轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)端口，并且在煤礦現(xiàn)場、區(qū)縣市局成立監(jiān)控管理中心，完善各部門瓦斯解碼器、電視播放墻等設(shè)施。具體的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖1所示。由于煤礦施工長期通常都較為偏遠(yuǎn)，帶寬并不充裕，這種聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)則可以很好地應(yīng)用于廣域瓦斯聯(lián)網(wǎng)，若考慮到以后省級平臺瓦斯聯(lián)網(wǎng)模式，這種設(shè)計(jì)方案無疑當(dāng)前2 Mb帶寬的最佳選擇，不然很容易致使監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定甚至不能使用。該聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)借助已知煤炭網(wǎng)的部分節(jié)點(diǎn)，經(jīng)上級授權(quán)之后連接并登錄瓦斯流管理服務(wù)端口，就可以輕松觀看該服務(wù)器監(jiān)控礦區(qū)的生產(chǎn)工作瓦斯，且不會增加前端帶寬負(fù)荷，可同時向多個用戶共享圖像信息。
2.2 安全系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在圖2中，我們可以清楚地看到安全系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。通過4個監(jiān)控工作站或D1單畫面輪巡，將畫面進(jìn)行分割并上傳到瓦斯流管理服務(wù)端口，然后統(tǒng)一由瓦斯流管理服務(wù)端口對瓦斯信號進(jìn)行存儲和，這樣有效地避免工作人員直接訪問客戶端而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。開展瓦斯監(jiān)控工作時，前端攝像機(jī)瓦斯線依次對前端畫面處理器、瓦斯服務(wù)器和光端機(jī)實(shí)施連接，通過光纜把接受到的瓦斯信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。在這個時候，其他用戶很容易不會根據(jù)已經(jīng)規(guī)定好的操作流程來對系統(tǒng)進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)處理，而且由于不受時間、地域的限制，他們還可能會通過輸入地址直接對數(shù)據(jù)庫實(shí)施訪問。如此一來，就很容易造成客戶肆意操作，最終致使后臺數(shù)據(jù)庫隨時都有崩潰的威脅。所以說，我們應(yīng)該采取一些可運(yùn)用的技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行盡可能全面的安全防范，比如說系統(tǒng)加密、防火墻、真實(shí)身份認(rèn)證、授權(quán)控制技術(shù)等等。監(jiān)控中心在接收瓦斯信息后，第一時間想遠(yuǎn)端的瓦斯服務(wù)器發(fā)出云臺控制信號，最終傳輸?shù)綌z像機(jī)云臺控制線，并直接上傳到系統(tǒng)客戶端。
2.3 瓦斯控制系統(tǒng)
在煤礦保護(hù)層上的回收期，我們可以將高抽巷側(cè)上方的石板巷回風(fēng)巷段封閉采空區(qū)瓦斯抽放管，同時與上隅角采空區(qū)瓦斯抽采。抽巷形成的采空區(qū)瓦斯的頂板裂隙排水渠，對下部采空區(qū)瓦斯發(fā)揮作拉動用，減少采空區(qū)氣體排涌向工作面和的上隅角。通過分段砌筑封閉墻，在封閉墻中鋪設(shè)管路進(jìn)行瓦斯抽采，抽采管路為240mm的鐵管，抽采流量為91 m3/min，封閉墻間距為110m。封閉墻的組成由砌筑兩道墻體，并在其內(nèi)部充填黃泥，墻體厚度800mm，墻與墻之間的距離不小于4m，這樣可以很好地起到密閉和防爆的作用。每個封閉墻內(nèi)鋪設(shè)兩道管路，在新的封閉墻砌筑充填完成時，根據(jù)瓦斯抽采量適時關(guān)閉里段抽采閥門，保障了高抽巷瓦斯抽采的連續(xù)性。
2.4 瓦斯流管理服務(wù)器設(shè)計(jì)
在瓦斯監(jiān)控設(shè)計(jì)中，瓦斯流管理服務(wù)器無疑是IP瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的精神內(nèi)容。建立瓦斯流管理服務(wù)端口，不但可支持瓦斯管理系統(tǒng)同時被多名用戶訪問，而且還很好地解決了前端瓦斯受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制的問題，從而保證了各部門及領(lǐng)導(dǎo)可以直接通過桌面計(jì)算機(jī)對瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行訪問，隨時可瀏覽監(jiān)控現(xiàn)場圖像和瓦斯。服務(wù)器端擁有通過查詢數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對煤炭安全生產(chǎn)信息化的作用，可以為計(jì)算機(jī)提供很多實(shí)用服務(wù)。瓦斯流管理服務(wù)器與空間數(shù)據(jù)庫建立連接，可提供大量查詢服務(wù)，例如屬性查詢服務(wù)、矢量和柵格地圖服務(wù)等。在網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)組成部分中瓦斯流管理緩存服務(wù)器模塊是相當(dāng)重要的，服務(wù)器端緩存模塊主要分為緩存管理組件和索引管理組件。兩部分組件分工合作，緩存管理組件是根據(jù)索引分析所得出的結(jié)果，在緩存中處理請求數(shù)據(jù)然后向客戶端發(fā)送，或者利用數(shù)據(jù)庫中已存數(shù)據(jù)，而索引管理組件先索引分析客戶端請求，制作出瓦片空間待處理數(shù)據(jù)列表。若能發(fā)展好緩存數(shù)據(jù)的利用，數(shù)據(jù)庫交互即可免去，同時數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度也會大大提高?？偟膩碚f，瓦斯流管理服務(wù)端為煤礦的安全生產(chǎn)提供了有效的圖像監(jiān)視選擇和瓦斯存儲的功能，可以徹底實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理、自動報警與生產(chǎn)安全建議。
2.5 KJ95安全監(jiān)控系統(tǒng)
KJ95煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)是由煤科總院常州自動化研究所開發(fā)的。該系統(tǒng)通過井下通信和工業(yè)電視監(jiān)視設(shè)備，對煤礦井下作業(yè)進(jìn)行全程生產(chǎn)監(jiān)控。這一過程中的工業(yè)電視監(jiān)視和井下通信不但可以任意搭配組合，還可以單獨(dú)利用，能夠很好地滿足不同條件的礦井需求。在KJ95綜合監(jiān)控系統(tǒng)配置框架中，監(jiān)測系統(tǒng)與通信系統(tǒng)兩者之間相互獨(dú)立，主線采用光纖為材料，以確保通信系統(tǒng)所發(fā)出的語音信號和監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可以同時被地面的電端機(jī)所接收，為方便光纖傳輸，光端機(jī)會將混合后的電信號轉(zhuǎn)變成光信號，再通過礦井下的光端機(jī)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳送至井下工作面，最終將數(shù)據(jù)和語音徹底分開。通過井下的電端機(jī)RS232口可以將數(shù)據(jù)信號傳送到礦井下的傳輸接口，然后由傳輸接口將之輸出帶到各個分站。通過分線盒可以把語音信號分送到各個話機(jī)，這一系列過程中語音信號與監(jiān)測數(shù)據(jù)都是雙向傳遞的。
3 實(shí)現(xiàn)效果
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)來，根據(jù)所監(jiān)控出來的瓦斯數(shù)據(jù)，對煤礦生產(chǎn)過程實(shí)施自發(fā)監(jiān)控，并且數(shù)據(jù)處理敏捷準(zhǔn)確，而且它可以直接對煤礦生產(chǎn)中必要的地物進(jìn)行自動標(biāo)注，并將標(biāo)注數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，避免不必要的人為抄寫錯誤。最后在監(jiān)控成果表輸出以后，表格格式規(guī)范、信息完整，并能直接進(jìn)行打印實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)線點(diǎn)計(jì)算、展點(diǎn)、制表一體化。系統(tǒng)界面可視化、操作性強(qiáng)，監(jiān)控人員不必進(jìn)行專門的學(xué)習(xí)或培訓(xùn)，操作使用十分簡便。通過面板中輸出的原始瓦斯監(jiān)控畫面，可以切實(shí)地反映煤礦生產(chǎn)的真實(shí)狀況，它對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)全過程進(jìn)行瓦斯拍攝，在瓦斯監(jiān)控工作開展前掌握了煤礦各節(jié)點(diǎn)在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的相對位置及相互關(guān)系，很簡單地就可以完成固定環(huán)境輪廓的拍攝，提高了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控的工作效率。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控管理不但簡單迅速，而且通過數(shù)據(jù)維護(hù)自動更新、表格目錄與導(dǎo)線名稱檢索等方法實(shí)施管理，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控的效率明顯獲得了提高。
4 結(jié)論
煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)涉及到煤礦生產(chǎn)工作的數(shù)百個指標(biāo)，需要調(diào)用大量的數(shù)據(jù)和信息，并要綜合平衡煤礦生產(chǎn)同勞動力之間、供求需要同可開采煤礦之間、煤礦企業(yè)自身效益同社會效益之間的各種關(guān)系，要求很高，業(yè)務(wù)性和技術(shù)性很強(qiáng)，煤礦煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)過程實(shí)際上是一個多目標(biāo)動態(tài)決策過程。因此，順應(yīng)技術(shù)進(jìn)步的潮流，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為手段，輔助設(shè)計(jì)煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對煤礦安全生產(chǎn)管理是非常必要的。
[摘 要] 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對平頂山煤礦產(chǎn)區(qū)白龜山水庫水環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動、實(shí)時監(jiān)測，搭建相應(yīng)的云計(jì)算平臺，實(shí)現(xiàn)海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時有效處理及數(shù)據(jù)共享，為實(shí)現(xiàn)白龜山水庫水資源可持續(xù)利用和用水安全提供保障。
[關(guān)鍵詞] 物聯(lián)網(wǎng)； 云計(jì)算平臺； 水環(huán)境； 監(jiān)測； 白龜山水庫
水環(huán)境監(jiān)測是水資源管理和安全供水的重要前提。目前，我國各主要湖泊水庫的水環(huán)境監(jiān)測尚未實(shí)現(xiàn)無人值守和動態(tài)監(jiān)測，多采取監(jiān)測人員留駐湖泊水庫現(xiàn)場以人工方式采集水質(zhì)數(shù)據(jù)，采集點(diǎn)和采樣頻次受到限制，獲取的信息量較小，且耗費(fèi)大量人力物力，另外很多水質(zhì)指標(biāo)還需要帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息無法及時進(jìn)行時空對比分析。即使部分湖泊水庫采用較為先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，但由于獲得的時空數(shù)據(jù)量龐大，處理過程復(fù)雜度高，籌建所需的大量高性能計(jì)算服務(wù)器資金消耗巨大，很難實(shí)現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時、有效處理及合理快捷共享[1-3]。
自2009年以來，“物聯(lián)網(wǎng)”概念頻頻出現(xiàn)在人們的視野中。物聯(lián)網(wǎng)是指把所有物品通過射頻識別、傳感器等信息采集和識別設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)（如Internet、GPRS、3G網(wǎng)絡(luò)等）連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化管理和應(yīng)用。日本、韓國、美國、歐洲一些國家基于物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術(shù)有效運(yùn)用在生產(chǎn)生活中，通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人類社會與物質(zhì)世界的整合，從而提高了資源利用率和生產(chǎn)力水平[4-9]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也為水環(huán)境的監(jiān)測提供了一個全新的方法和有效途徑，但同時物物相連的必然產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，若將這些信息有機(jī)的聯(lián)合起來，就需要建立一個性能穩(wěn)定的云計(jì)算平臺，以解決物聯(lián)網(wǎng)海量水環(huán)境監(jiān)測信息的存儲和處理問題。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算平臺結(jié)合，構(gòu)建水環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，搭建相應(yīng)的云計(jì)算平臺，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境信息的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時有效處理及數(shù)據(jù)共享，為實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用和確保用水安全提供重要依據(jù)[10-14]。
1 系統(tǒng)工程構(gòu)建
1.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)
整個系統(tǒng)主要由水質(zhì)監(jiān)測傳感子系統(tǒng)、多層次通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、云計(jì)算平臺和太陽能供電子系統(tǒng)構(gòu)成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
水質(zhì)監(jiān)測傳感子系統(tǒng)的下位機(jī)軟件采用中心對多點(diǎn)通訊方式，波特率為9600，采用心跳包實(shí)現(xiàn)?；顧C(jī)制，通訊信令采用ASCII碼信令。上位機(jī)軟件與數(shù)據(jù)中心之間擬通過TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；通過對系統(tǒng)層Socket的封裝，以及從數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的集成融合通信方式，來實(shí)現(xiàn)用戶編程接口的統(tǒng)一。云計(jì)算平臺數(shù)據(jù)存儲中心基于Oracle數(shù)據(jù)庫來構(gòu)建，事務(wù)處理采用并發(fā)機(jī)制和觸發(fā)器機(jī)制，最后通過作業(yè)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)機(jī)事務(wù)處理（On-Line Transaction Processing， OLTP）。利用Oracle DWB來建立數(shù)據(jù)倉庫，提供分析型環(huán)境。所有的分析產(chǎn)品和用戶接口（User interface， UI）均采用B/S架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)擬采用目前比較流行的開源框架SSH（Spring、Struts、Hibernate）來搭建。
1.2 各子系統(tǒng)架構(gòu)
① 數(shù)據(jù)中心及采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，數(shù)據(jù)流處理包括接收處理數(shù)據(jù)流和發(fā)送數(shù)據(jù)流。
接受及處理數(shù)據(jù)流
a） 通過由水質(zhì)參數(shù)傳感器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)化器組成的采集系統(tǒng)，獲得現(xiàn)場實(shí)時水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照采樣頻率傳送至數(shù)據(jù)中心；
b） 數(shù)據(jù)中心接收到實(shí)時數(shù)據(jù)后，進(jìn)行邏輯分析，剔除臟數(shù)據(jù)，將正確的數(shù)據(jù)存儲到瞬時數(shù)據(jù)庫；
c） 利用ETL（extract， transform and load）工具，結(jié)合企業(yè)數(shù)據(jù)庫的作業(yè)/調(diào)度以及觸發(fā)器等功能，利用瞬時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成適合分析、統(tǒng)計(jì)的水質(zhì)分析型數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)倉庫；
d） 利用數(shù)據(jù)倉庫分析產(chǎn)品或者BI（business intelligence）報表引擎，對分析數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，生成用戶需要的各種分析產(chǎn)品。
發(fā)送數(shù)據(jù)流
a） 用戶可通過移動終端設(shè)備（比如手機(jī)、PDA等）或固定終端的水質(zhì)數(shù)據(jù)查看器登錄到數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)中心發(fā)送信令給采集系統(tǒng)，設(shè)定采集系統(tǒng)的采樣周期等參數(shù)信息；
b） 用戶還可以通過數(shù)據(jù)中心向供電系統(tǒng)發(fā)送控制信息，開啟或者關(guān)閉供電系統(tǒng)，或者對供電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。
② 多層次通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)
多層次通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，采取分層混合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，分為業(yè)務(wù)層、核心層、接入層、終端層四個層次。
③ 供電系統(tǒng)
太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能控制器和蓄電池（組）構(gòu)成。其中，太陽能電池板是將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作，是該系統(tǒng)的核心組件。
太陽能控制器控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并起到對蓄電池過充電保護(hù)和過放電保護(hù)的作用。蓄電池作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，當(dāng)遇到陰雨天氣的時候或者光照不夠充足的條件下，特別是采集系統(tǒng)發(fā)生異常時，需要大功率高負(fù)荷的實(shí)時手動采集時，通過蓄電池來釋放能量。
1.3 相關(guān)算法
① 數(shù)據(jù)ETL算法
傳感器水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)通過以下五個流程過程，實(shí)現(xiàn)提取、轉(zhuǎn)化和裝載，最終建立WSDW數(shù)據(jù)倉庫，算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。
② 分類預(yù)測算法
基于LSM模型的聚類算法，是一種無教師自動分類算法，針對待聚類的目標(biāo)數(shù)據(jù)，隨機(jī)選取任意一個數(shù)據(jù)作為標(biāo)兵數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)作為候選數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類。該算法具有敏感度低，數(shù)據(jù)選取次序無關(guān)等良好特性，非常適合傳感器數(shù)據(jù)的分析處理，本工程采用基于LSM模型的聚類算法進(jìn)行水質(zhì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析。
2 系統(tǒng)在白龜山水庫應(yīng)用
白龜山水庫位于淮河流域沙河干流上， 大壩位于河南省平頂山市西南郊，東經(jīng)112°50′至113°15′及北緯33°40′至33°50′之間。東西長15. 5 km，南北寬4. 2 km，占地近70 km2。水庫控制流域面積2 740 km2，水庫多年平均降雨量900 mm， 多年平均徑流量4. 23 億m3，總庫容達(dá)9. 22 億m3，是一座以防洪為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和城市供水的大型綜合水庫[10]。同時白龜山水庫也是南水北調(diào)飲水工程的重要調(diào)節(jié)庫。
以白龜山水庫作為實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)（無線傳感網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的水環(huán)境自動監(jiān)測與分析系統(tǒng)，解決白龜山水庫當(dāng)前人工水質(zhì)參數(shù)采集存在的諸多問題，構(gòu)建白龜山水庫水環(huán)境監(jiān)測云計(jì)算中心，實(shí)現(xiàn)水資源持續(xù)有效利用和確保用水安全。
2.1 云計(jì)算平臺的數(shù)據(jù)采集
① 水環(huán)境系統(tǒng)主控因子數(shù)據(jù)采集
湖泊水庫水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)包括諸多主控因子。白龜山水庫主要選取水溫、PH、濁度、ORP、溶解氧、總磷、總氮等主控因子。各主控因子數(shù)據(jù)采集通過搭建無線傳感器自動數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)來完成。
自動數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括6個無線傳感器自動采集站。利用各類在線水質(zhì)傳感器，在白龜山水庫入水口、1號監(jiān)測點(diǎn)、2號區(qū)監(jiān)測點(diǎn)以及白龜山水庫出水口等地設(shè)立6個實(shí)驗(yàn)示范性無線傳感器自動監(jiān)測站。自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)需要來設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率，對監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行無人值守實(shí)時采集。利用數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行濾波、A/D轉(zhuǎn)化，最終為無線傳輸系統(tǒng)提供可靠的原始信號數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)獲得的信號數(shù)據(jù)為4-20mA的電流信號，將通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)中心，然后轉(zhuǎn)化為實(shí)際的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，不同參數(shù)轉(zhuǎn)化算法不同。轉(zhuǎn)化后的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確地掌握水質(zhì)狀況和動態(tài)變化趨勢提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將持久存儲在數(shù)據(jù)中心。
② 視頻數(shù)據(jù)采集
為現(xiàn)場設(shè)備、水域環(huán)境及生物活動提供視頻采集功能，并通過無線方式按照定頻和手動采集方式發(fā)回數(shù)據(jù)中心。依此實(shí)現(xiàn)對各個采樣點(diǎn)非法入侵、設(shè)備破壞、特種保護(hù)動物活動提供實(shí)時監(jiān)控。
2.2 云計(jì)算平臺的數(shù)據(jù)傳輸
數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)用于將獲得的實(shí)時信號數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心以便對此數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、分析、處理和存儲。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)包括傳輸控制節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)中心。
傳輸控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集器獲得原數(shù)據(jù)，并通過RS485網(wǎng)絡(luò)，將獲得的實(shí)時水質(zhì)參數(shù)信號數(shù)據(jù)傳送到GPRS無線混合通訊系統(tǒng)，經(jīng)由GPRS以及3G無線網(wǎng)絡(luò)傳送到有固定IP地址的數(shù)據(jù)中心。通訊傳輸采用“中心對多點(diǎn)”的TCP模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠透明傳輸。各傳輸控制節(jié)點(diǎn)間也可相互通信，與有固定IP的數(shù)據(jù)中心超級節(jié)點(diǎn)之間形成多層重疊混合網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。各用戶終端設(shè)備通過該子系統(tǒng)完成登入、退出及異常處理，建立穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，為傳輸信號數(shù)據(jù)和控制信令建立雙向數(shù)據(jù)傳輸通道和通訊鏈路。
2.3 云計(jì)算平臺的數(shù)據(jù)處理中心
數(shù)據(jù)中心是整個云計(jì)算平臺服務(wù)體系的核心，其主要功能是對數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲。通過數(shù)據(jù)中心，一方面，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)字信號信息的接受、分析處理、預(yù)警及存儲，另一方面，還可以通過遠(yuǎn)程無線控制進(jìn)行隨機(jī)監(jiān)控和采樣周期設(shè)定及視頻監(jiān)控等工作。
2.4 云計(jì)算平臺的實(shí)時監(jiān)控預(yù)警
實(shí)時監(jiān)控預(yù)警子系統(tǒng)提供監(jiān)控和預(yù)警兩項(xiàng)功能。監(jiān)控模塊主要完成兩個方面的工作：一方面，提供實(shí)時數(shù)據(jù)的查看，在線分析和報表下載功能；另一方面，對無線視頻采集系統(tǒng)獲得的現(xiàn)場圖像進(jìn)行分析、比對，對異?，F(xiàn)場狀況采取措施；預(yù)警模塊也主要完成兩方面工作：一方面，當(dāng)數(shù)據(jù)中心發(fā)現(xiàn)異常數(shù)字信號后，傳送異常類別給實(shí)時監(jiān)控預(yù)警子系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成對實(shí)時數(shù)字信號的預(yù)警處理任務(wù)；另一方，為授權(quán)用戶和決策人員提供自動預(yù)警處理結(jié)果。
2.5 野外太陽能供電系統(tǒng)
由于無法通過交流電對白龜山水庫水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)供電，因此必須選擇適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的可靠的供電方案來解決此問題。根據(jù)白龜山水庫的氣候特點(diǎn)，本著綠色、節(jié)能、環(huán)保和低碳的原則，采用太陽能供電系統(tǒng)作為供電方案。
3 結(jié)語
應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了白龜山水庫水環(huán)境指標(biāo)的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，云計(jì)算平臺對監(jiān)測信息進(jìn)行及時快捷有效地處理并能實(shí)現(xiàn)信息共享，為加強(qiáng)水資源管理和提高用水安全提供了有力保障。
[摘 要] 煤礦安全已經(jīng)成為社會非常重視和關(guān)注的問題。針對當(dāng)前基于有線網(wǎng)絡(luò)和固定傳感器技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測盲區(qū)的問題，設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)煤礦監(jiān)測系統(tǒng)方案。分析了煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)對預(yù)防煤炭安全事故有著重要的意義。
[關(guān)鍵詞] 煤礦安全； 監(jiān)測系統(tǒng)； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； Zigbee協(xié)議； 節(jié)點(diǎn)
引言
我國煤礦開采方式只要是以礦工開采為主，多數(shù)礦井都有瓦斯、煤塵、火災(zāi)等隱患。我國煤礦生產(chǎn)形勢一直十分嚴(yán)峻，煤礦頻繁發(fā)生事故，給國家和人民都造成了巨大的損失。安全問題一直困擾著我國煤礦生產(chǎn)，是制約我國煤礦行業(yè)發(fā)展的主要障礙。但是目前我國使用的安全監(jiān)測系統(tǒng)主要還是以現(xiàn)場總線為主，通過有線方式進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的采集和傳輸，這在礦井特殊環(huán)境下存在許多的弊端。如井下監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量有限，存在監(jiān)控盲區(qū)；隨著挖掘的深入，傳感器無法實(shí)現(xiàn)快速跟進(jìn)；一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，系統(tǒng)就會癱瘓等。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)自組織、結(jié)構(gòu)靈活、以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)很適合礦井環(huán)境安全監(jiān)測的應(yīng)用，無線通信技術(shù)ZigBee的低功耗、低成本、覆蓋范圍大、高可靠性等都符合系統(tǒng)的要求，很好的解決了上述的弊端。本文設(shè)計(jì)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對煤礦監(jiān)控區(qū)域瓦斯?jié)舛群蜏貪穸鹊刃盘柕牟杉瘻y量，同時將所采集的信息在地面控制中心 PC 機(jī)上實(shí)時地顯示出來，對煤礦井下環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位實(shí)時監(jiān)測和智能預(yù)警，對煤礦的安全生產(chǎn)具有重大的意義。
1 總體結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)分為井上及井下兩大部分，由協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和監(jiān)控中心管理系統(tǒng)組成。在主巷道的入口處架設(shè)協(xié)調(diào)器，在煤礦井下主巷道和采掘工作面中每隔幾十米布設(shè)一個路由節(jié)點(diǎn)，礦井工作人員佩戴移動的終端節(jié)點(diǎn)，每個采掘區(qū)形成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它通過協(xié)調(diào)器采用總線與地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連。其中協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成基于zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，三種節(jié)點(diǎn)相互配合，共同完成對瓦斯?jié)舛取貪穸葦?shù)據(jù)的采集、傳輸和對網(wǎng)絡(luò)的管理。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)井下部分為路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)上使用瓦斯傳感器、溫濕度傳感器等對井下環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過路由節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)送給井上協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過串行接口將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)收集數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并能夠通過以太網(wǎng)或Internet將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心。
2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用相同的硬件設(shè)計(jì)。考慮到系統(tǒng)具有低功耗和可靠性高等要求， PIC18F4620單片機(jī)具有低功耗、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)；CC2420射頻芯片只需簡單外圍電路設(shè)計(jì)，且支持ZigBee協(xié)議。傳感器節(jié)點(diǎn)采用PIC18F4620單片機(jī)和CC2420射頻芯片。節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
節(jié)點(diǎn)硬件平臺以PIC18F4620單片機(jī)和CC2420射頻芯片為核心，在單片機(jī)上擴(kuò)展出SPI接口與CC2420進(jìn)行連接，它們之間采用主從模式進(jìn)行通信，同時還在外圍擴(kuò)展了RS232和RS485接口電路。針對影響礦井安全環(huán)境的因素，系統(tǒng)采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器對礦井環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理后傳輸給控制器。然后節(jié)點(diǎn)利用CC2420射頻收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)值超標(biāo)，產(chǎn)生安全隱患時啟動報警裝置發(fā)出警報。瓦斯傳感器采用LXK-3，可以實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛?%以內(nèi)的檢測，且當(dāng)持續(xù)半分鐘檢測到瓦斯?jié)舛雀哂?%時，蜂鳴器發(fā)出報警信號。溫濕度傳感器采用SHT11，根據(jù)煤礦的溫濕度參數(shù)自動對瓦斯傳感器校零，從而提高瓦斯?jié)舛葓缶鞯臏?zhǔn)確性。節(jié)點(diǎn)采用9V電池供電，通過穩(wěn)壓器將電壓輸出轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可用電壓。
3 軟件開發(fā)環(huán)境
MPLAB IDE是Microchip公司用于PIC 系列單片機(jī)的基于Windows 操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，采用匯編語言或C語言使用內(nèi)置編輯器創(chuàng)建和編輯源代碼。MPLAB ICD 2 在線調(diào)試器實(shí)時調(diào)試可執(zhí)行邏輯，使用 MPLAB ICD 2 器件編程器向單片機(jī)中燒寫。
ZigBee協(xié)議棧由Microchip協(xié)議棧的3.5版本來實(shí)現(xiàn)。Microchip協(xié)議棧的3.5版本能夠在大多數(shù)PIC18系列的單片機(jī)上進(jìn)行移植，并支持各種ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備的功能。
4 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功能不同。傳感器終端節(jié)點(diǎn)的主要功能是通過瓦斯傳感器和溫濕度傳感器對礦井環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；路由器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層程序主要功能是網(wǎng)絡(luò)路由的維護(hù)、節(jié)點(diǎn)的管理和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)龋粎f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是創(chuàng)建整個網(wǎng)絡(luò)，并將從傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時將控制命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均有各自的應(yīng)用層程序文件：RFD.c、 Router.c、Coordinator.c，這三個文件分別是終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序，分別實(shí)現(xiàn)了各自的功能。
終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三種節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序都是通過調(diào)用原語，通過改變原語的狀態(tài)使ZigBee協(xié)議棧的各子層實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作來實(shí)現(xiàn)的。在程序的初始階段都要先對看門狗、硬件、協(xié)議棧及其它部分進(jìn)行初始化操作。節(jié)點(diǎn)初始化后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)在建好網(wǎng)絡(luò)后加入網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)各自在網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)。
4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)的聯(lián)系紐帶。它一方面要創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配，并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；另一方面要在收到數(shù)據(jù)請求時從終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)開始運(yùn)行后，要先對PIC18F4620單片機(jī)和CC2420芯片進(jìn)行初始化操作，然后創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖3所示。
4.2 路由節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間可能因?yàn)榫嚯x等問題無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，路由節(jié)點(diǎn)的功能主要是幫助協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立完整的網(wǎng)絡(luò)，管理其覆蓋范圍內(nèi)的傳感器終端節(jié)點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，類似于一個網(wǎng)絡(luò)中繼站。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)以后，路由節(jié)點(diǎn)要搜索并加入網(wǎng)絡(luò)，然后管理其覆蓋區(qū)域的傳感器終端節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)。該節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖4所示。
4.3 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能是利用節(jié)點(diǎn)上的傳感器對環(huán)境對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和采集，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，然后通過CC2420射頻芯片將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)在收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請求命令后才會進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，在沒有數(shù)據(jù)請求的時候處于休眠狀態(tài)，以減少能量消耗。終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖5所示。
5 結(jié)束語
將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤礦安全監(jiān)測中，可隨意增加移除監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，方便網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，彌補(bǔ)了煤礦目前的煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的不足，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和煤礦監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，成本的不斷下降和體積的進(jìn)一步減小，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用會很快實(shí)現(xiàn)，未來的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)會更智能、更完善、更穩(wěn)定。
摘要：針對礦用膠帶鋼絲繩芯的漏磁在線檢測及X光成像技術(shù)的應(yīng)用與研究，將檢測、成像及診斷系統(tǒng)的結(jié)合一體，完成對膠帶內(nèi)鋼絲繩芯銹蝕、斷繩、接頭抽動、移位、鍍鋅層老化等工況的高速、在線、電磁檢測及精確定位。對重點(diǎn)隱患部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查，及時發(fā)現(xiàn)隱患，實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩芯膠帶的在線監(jiān)測，保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。
一、前言
強(qiáng)力膠帶機(jī)由于運(yùn)輸能力大，運(yùn)輸距離長，所以廣泛應(yīng)用于我國礦山等行業(yè)。但是由于強(qiáng)力膠帶機(jī)運(yùn)距長、負(fù)荷大、設(shè)備老化等問題，造成皮帶接頭易損、帶身鋼絲繩斷裂，設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)存在重大隱患。如果發(fā)生事故，不但會造成重大的財產(chǎn)損失，而且造成更為嚴(yán)重的人員傷亡事故。
彭莊煤礦礦現(xiàn)有鋼絲繩膠帶機(jī)2部，在設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)膠帶接頭的完好情況是整個膠帶機(jī)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，現(xiàn)在皮帶硫化接頭的檢查只憑肉眼觀測，對接頭的硫化僅憑經(jīng)驗(yàn)，雖然在管理中要求司機(jī)在班中嚴(yán)格按規(guī)定巡檢，但難免監(jiān)測不到位，因此極不科學(xué)，很容易出現(xiàn)斷帶事故。
目前國內(nèi)有鋼絲繩芯探傷儀，存在著只能以“心電圖”形式的記錄，不能自動判斷，需專業(yè)人員才能看懂，不便快速有效的發(fā)現(xiàn)膠帶在運(yùn)行中存在的隱患。通過鋼絲繩芯皮帶電磁在線檢測及X光成像技術(shù)的應(yīng)用研究，將檢測、成像及診斷結(jié)合起來，對重點(diǎn)隱患部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查檢修，及時排除隱患，保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)，為礦井的安全生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。
二、綜合在線監(jiān)測裝置的工作原理及組成
1、工作原理：
首先，通過永久磁場對膠帶鋼絲繩芯進(jìn)行充磁，當(dāng)系統(tǒng)工作時，通過對膠帶內(nèi)鋼絲繩芯磁通量的變化情況實(shí)現(xiàn)對膠帶內(nèi)鋼絲繩芯的銹蝕、斷繩、接頭抽動、移位、鍍鋅層老化等工況實(shí)行高速、在線、電磁檢測。當(dāng)某處損傷超標(biāo)或接頭抽動超標(biāo)時再啟動 X射線部分進(jìn)行低速在線或定點(diǎn)透視，從而使用戶能更清楚、直觀地看到損傷點(diǎn)或接頭的透視圖像，以便采取進(jìn)一步的合理修復(fù)手段，防范隱患擴(kuò)大或事故發(fā)生。
2、系統(tǒng)的組成：
電磁傳感器：完成對輸送帶內(nèi)鋼絲繩芯的加磁及漏磁信號的拾取與檢測；
X 光機(jī)系統(tǒng)：X光發(fā)射、接收裝置、皮帶定位裝置，完成機(jī)架內(nèi)皮帶定位及其透視圖像的實(shí)時采集；
下位計(jì)算機(jī)：完成對磁信號及視頻圖像的接收、預(yù)處理、打包、發(fā)送以及電源的提供；
上位計(jì)算機(jī)：完成對信號的接收、校驗(yàn)、后處理、存儲與實(shí)時顯示和報表打印。
3、系統(tǒng)的功能：
⑴完成輸送帶內(nèi)鋼絲繩芯銹蝕、斷繩、接頭抽動、移位、鍍鋅層老化等工況的高速、在線、電磁檢測及精確定位； ⑵完成輸送帶內(nèi)鋼繩芯損傷點(diǎn)或接頭的 X 射線低速在線或定點(diǎn)透視；⑶檢測數(shù)據(jù)及掃描圖像可通過日期、接頭號、位置等選項(xiàng)進(jìn)行查詢、觀看和比對、分析；⑷系統(tǒng)最終出具檢測數(shù)據(jù)、曲線圖、文字報告，并具超限報警功能；⑸實(shí)現(xiàn)各檢測值的長時間存儲及報表打?。虎氏到y(tǒng)可通過光纖遠(yuǎn)距離傳輸并可進(jìn)入用戶局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；⑺對輸送帶進(jìn)行輔助定位,并進(jìn)行聲音提示。
4、系統(tǒng)的特點(diǎn)：
⑴磁傳感器形式：數(shù)字式、密集型、單箱式傳感器；⑵磁傳感器維護(hù)：無傳感器調(diào)節(jié)窗口、溫度自適應(yīng)、徹底免維護(hù)、免調(diào)試；⑶系統(tǒng)模塊化的多層單片機(jī)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)運(yùn)行更快、更穩(wěn)定、更容易實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代；⑷面對用戶的人性化、模塊化、傻瓜型的軟件設(shè)計(jì)，使用戶無需懂太多計(jì)算機(jī)知識的人也可以輕松使用該系統(tǒng)；⑸系統(tǒng)可進(jìn)入用戶的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；⑹可大大降低工人的勞動強(qiáng)度，改善其勞動工作條件，縮短檢測時間；⑺人可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行X光透視,免輻射。
三、設(shè)備的安裝與調(diào)試
1、磁傳感器的安裝：
傳感器安裝位置遵循以下原則：輸送帶抖動最小、要盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場、不易受砸、安裝維護(hù)方便、信號傳輸距離盡量短等。
傳感器應(yīng)放在上皮帶與底皮帶之間， 首先將L 型固定板固定在輸送帶大梁上，套上U型螺絲，用螺母擰緊；再用直桿螺絲將傳感器箱吊掛在 L 板上。傳感器箱下表面距離底皮帶上表面的高度調(diào)節(jié)為60mm+5mm，最后用螺母擰緊即可。
安裝注意事項(xiàng)：
⑴傳感器箱應(yīng)安裝在皮帶抖動小的地方（最好安裝在機(jī)頭附近，靠近托輥的位置，但為了避免測試誤差，請不要裝在托輥正上方）；⑵用螺母固定傳感器箱時，應(yīng)加裝彈墊,切記擰緊，防止長期震動導(dǎo)致螺母松動。
2、X光系統(tǒng)各部分的安裝(僅限綜合系統(tǒng))：
現(xiàn)場安裝期間，發(fā)現(xiàn)該裝置的固定裝置，不牢靠及X光機(jī)安裝位置在上下膠帶之間，要求上膠帶膠帶下平面與膠帶機(jī)縱梁上平面之間有不低于300的間距，我們對機(jī)架的固定方式及托輥架進(jìn)行了改造。
原有X光機(jī)架為落地式，它要求安裝地點(diǎn)的底板必須與膠帶平行方可安裝，由于井下地理?xiàng)l件的不同及底板的起伏不平，造成機(jī)架安裝后，X光機(jī)縱向移動架與膠帶機(jī)縱梁交叉，影響機(jī)架前后移動距離。我們在與廠家技術(shù)人員研究后，提出將機(jī)架改造為吊掛式使用，具體方法如下：
⑴在機(jī)架前后兩端，加工四根等距吊架，將X光機(jī)機(jī)架整體吊掛在膠帶機(jī)縱梁上；⑵再在機(jī)架前后兩端，加工四根拉桿，將機(jī)架與膠帶機(jī)前后H架固定在一起；⑶原有膠帶機(jī)上托架為插板式，托輥上沿只比縱梁高出60，我們在不停產(chǎn)的前提下將托輥架改造為固定式，且逐漸提高托輥安裝高度，使膠帶在通過監(jiān)測裝置處形成橋型段，既滿足了監(jiān)測裝置的安裝要求，又保證了礦井生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
四、使用的注意事項(xiàng)
1、硬件設(shè)備：
⑴傳感器箱在運(yùn)輸安裝時，應(yīng)避免強(qiáng)烈的震動或碰撞；⑵操作該系統(tǒng)時，操作者必須經(jīng)過計(jì)算機(jī)操作培訓(xùn),并嚴(yán)格按照該使用說明書進(jìn)行操作；⑶應(yīng)定期檢查傳感器箱固定螺絲是否松動；⑷每次使用本產(chǎn)品時，應(yīng)先進(jìn)行設(shè)備自檢，如果發(fā)現(xiàn)有設(shè)備損壞應(yīng)及時修理或與廠家聯(lián)系⑸X光機(jī)啟動時,請勿在機(jī)架附近長時逗留。
2、軟件使用：
禁止拷貝與該系統(tǒng)無關(guān)軟件到本計(jì)算機(jī)，防止病毒侵入影響，使用 U盤或移動硬盤時先進(jìn)行殺毒再使用。
禁止刪除系統(tǒng)軟件中的任何文件，防止軟件無法正常運(yùn)行。
五、常見問題及解答
1、實(shí)時監(jiān)測過程中或處理數(shù)據(jù)過程中，計(jì)算機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)，不能正常運(yùn)行：
⑴檢查計(jì)算機(jī)所在室溫是否高于35℃或低于 0℃，若是應(yīng)降低或升高室溫；⑵若室溫條件滿足，故障仍未排除，請檢查計(jì)算機(jī)是否有病毒并用正版殺毒軟件進(jìn)行查殺病毒。
2、報表及圖形數(shù)據(jù)打印，顏色太淺，無法看清。 更換色帶、墨盒、硒鼓。
3、計(jì)算機(jī)自檢時顯示下位機(jī)連接不上：
⑴下位機(jī)電源是否已經(jīng)打開；⑵USB 轉(zhuǎn)光纖模塊是否按操作規(guī)程（先啟動工控機(jī),待啟動完畢,再按住 USB 轉(zhuǎn)光纖模塊按鈕 3 秒）,如果不是,請按規(guī)定操作,便可正常連接下位機(jī)；⑶光纖是否折斷(用激光筆從一側(cè)照光纖,另一側(cè)可見到光,即為完好)，若折斷則需更換；⑷下位機(jī)通訊板損壞，需更換；⑸USB轉(zhuǎn)光纖模塊損壞,需更換。
六、結(jié)語
通過對彭莊礦井下主上倉皮帶安裝KJ581型鋼絲繩芯膠帶在線監(jiān)測系統(tǒng)之后，通過該系統(tǒng)的投入使用，完成對膠帶內(nèi)鋼絲繩芯銹蝕、斷繩、接頭抽動、移位、鍍鋅層老化等工況的高速、在線、電磁檢測及精確定位。提高了膠帶使用的安全性和可靠性，并針對膠帶的重點(diǎn)隱患部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查，及時發(fā)現(xiàn)隱患，實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩芯膠帶的在線監(jiān)測，保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)，為礦井的安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
