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)是國家經濟發(fā)展的命脈，然而我國煤炭行業(yè)的安全生產形勢卻不容樂觀，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，但各煤礦生產企業(yè)安全監(jiān)測設備不完備、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航監(jiān)控管理主要內容及瓦斯安全監(jiān)控設備安裝時的要求及技術管理，最后展望了煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：煤礦；瓦斯；監(jiān)測系統(tǒng)
1、引言
我們都知道瓦斯災害是煤礦生產中的主要災害之一，一方面為了滿足國民經濟快速發(fā)展對煤炭能源的強勁需求，國內煤礦開采強度普遍增大；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的重點與難點。那么如何運用信息技術改善瓦斯防治管理手段、提升瓦斯管理水平，已經成為我國煤礦安全生產的迫切需求。
2、瓦斯防治導航監(jiān)測管理主要內容
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、計算機網(wǎng)絡等技術對礦井甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、風速、風壓、溫度、饋電狀態(tài)、風門狀態(tài)、風筒狀態(tài)、局部通風機開停、主要通風機開停等實施遠程動態(tài)監(jiān)控管理，并實現(xiàn)甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風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、計算機軟硬件技術的發(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)絡監(jiān)測管理應用系統(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、提醒和報警實現(xiàn)生產礦井瓦斯防治導航的技術，來確保煤礦系統(tǒng)的安全運行。 瓦斯防治導航監(jiān)控管理主要有以下內容：
（一）監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控管理內容
監(jiān)測系統(tǒng)以采掘工程平面圖為基準，新建添加各種監(jiān)控傳感器及必備的監(jiān)控內容，設計有傳感器說明牌、傳感器監(jiān)測表，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行定性、定量分析、評價的監(jiān)測表，實現(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)域的預測、預報、預警，判斷更直接、快速。
（二）通風系統(tǒng)主要設施監(jiān)控管理內容
通風系統(tǒng)以采掘工程平面圖為基準，新建添加各種通風設施，設計有設施說明牌、設施監(jiān)測表，對通風設施監(jiān)測數(shù)據(jù)進行定性、定量分析、評價的監(jiān)測表，實現(xiàn)對通風系統(tǒng)設施管理的預測、預報、預警，根據(jù)授權進行簽名評價、消警、處理，消除安全隱患及導航系統(tǒng)報警信號。
（三）采掘生產系統(tǒng)主要監(jiān)控管理內容
在數(shù)字化的采掘工程平面圖上對采煤工作面和掘進工作面的適時位置進行活化處理，根據(jù)其推進度按時更新，系統(tǒng)將根據(jù)其更新的適時位置線對推進前方影響區(qū)域內瓦斯情況進行分析、評價、預測、預報、預警。
（四）瓦斯地質信息監(jiān)控管理內容
瓦斯地質以采掘工程平面圖為基準，劃出高瓦斯區(qū)、高瓦斯帶、突出威脅區(qū)、突出危險區(qū)，隨采掘工作面推進按監(jiān)測表要求，隨時進行預測、預報、預警。
3、瓦斯安全監(jiān)控設備安裝時的要求及技術管理
煤礦企業(yè)在對瓦斯安全監(jiān)測設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志，設備下井前必須經過調試、校正，檢查合格后方可使用。對于沒有煤安標志和合格證明的設備一律不準下井和安裝使用。
②監(jiān)控設備必須按設計要求進行安裝，各項技術參數(shù)的取值也必須符合設計要求。
③監(jiān)控設備的供電電源必須取自被控開關的電源側，嚴禁接在被控開關的負荷側。
④電纜要求：本質安全型監(jiān)控裝備其輸出本質安全型部分可不按防爆要求管理，但其關聯(lián)設備仍要按防爆要求管理。
⑤井下主機或分站應安設在支護良好、無滴水、無雜物的進風巷道或峒室內，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設備安裝完畢經過調校，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。
加強瓦斯監(jiān)控設備的技術管理
①礦井技術人員要充分利用計算機數(shù)據(jù)庫的監(jiān)測資料，定期組織分析，查找瓦斯超限或設備故障的原因，制定針對性的措施，以確保安全生產。
②加強技術資料管理。技術人員要經常收集整理各種瓦斯監(jiān)控技術資料，并分門別類進行建檔。
③配齊瓦斯監(jiān)控人員，強化培訓、提高素質、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過專業(yè)培訓并經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行判斷， 從而縮短故障處理時間，更好地保障礦井安全生產。
②規(guī)范通信協(xié)議
通信協(xié)議不規(guī)范的后果是造成設備購置重復， 不能隨意進行軟硬化升級的改造。制定統(tǒng)一的專業(yè)技術標準，對促進礦撲監(jiān)控技術發(fā)展和系統(tǒng)的推廣應用具有十分重要的意義。
③實現(xiàn)監(jiān)控信息網(wǎng)絡化
根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡化管理的需要， 監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控信息被網(wǎng)絡共享，系統(tǒng)應用軟件按統(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傳感器技術得到改善，將開發(fā)出高品質的傳感器
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、結論
總之，瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)是領導煤礦安全生產決策提供科學可靠的第一手材料，是及時協(xié)調和正確指揮生產的重要途徑。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)正常運行，能夠使煤礦安全生產得到進一步提高。
【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水平和安全生產管理效率，同時也為該技術的正確選擇、使用、維護和企業(yè)安全生產信息化管理提出了更高的要求。
【關鍵詞】煤礦安全；監(jiān)測；改進
1、煤礦安全生產監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由早期的地面單徽機監(jiān)側監(jiān)控已發(fā)展成為網(wǎng)絡化監(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、風速、負壓、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、下主要生產環(huán)節(jié)的各種生產參數(shù)和重要設備的運行狀態(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、局扇、主扇、膠帶機、采煤機、開關、磁力起動器運行狀態(tài)和參數(shù)等。中心站軟件具有側點定義功能；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：
開機自槍和本機初始化功能：通信側試功能：分站設程控功能（實現(xiàn)斷點儀功能、風電瓦斯閉頓功能、瓦斯管道監(jiān)側功能和一般的環(huán)境監(jiān)側功能等）；死機自復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)設里勸能（如傳感器配接通道號、量程、斷電點、斷電點、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)側監(jiān)控系統(tǒng)能正確反映被側環(huán)境和設備參數(shù)的關鍵技術和產品。目前國內生產和用于煤礦監(jiān)側監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器主要有瓦斯、一氧化碳、風速、負壓、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，以及機電設備開停、機電設備饋電狀態(tài)、風門開關狀態(tài)等開關量傳感器，以上傳感器的開發(fā)和應用基本滿足了煤礦安全生產監(jiān)測監(jiān)控的需要，但國產傳感器在使用壽命、調校周期、穩(wěn)定性和可靠性方面與國外同類產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并造成嚴重后果。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械設備進行救援，從而導致救援進展緩慢。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行定位。
定位步驟如下：首先布設網(wǎng)關和參考節(jié)點，保持網(wǎng)關之間的距離，再布設一些位置已知的參考節(jié)點保證每個移動節(jié)點至少要處于多個參考節(jié)點的射頻信號覆蓋范圍之內。
欲定位時首先確定當前節(jié)點相對于參考節(jié)點之間的位置，因參考節(jié)點的位置把移動節(jié)點相對參考節(jié)點的位置和參考節(jié)點的絕對位置相加，即可得到該移動節(jié)點的絕對位置。具體定位步驟如下：首先進行移動節(jié)點的相對定位來確定移動節(jié)點相對于參考節(jié)點的位置。采用的測距技術為無線電信號強度和無線電信號覆蓋關系相結合的技術。
RSSI測距是指無線射頻通信時，節(jié)點所接收到的射頻信號強度是隨距離衰減的，采用信號強度隨距離衰減模型并不增加額外裝置。
距離測量是節(jié)點定位時，通過檢測相鄰參考節(jié)點的無線信號強度來計算它們信號強度之比，利用RSSI計算出該員工到多個參考節(jié)點的距離。
位置計算指的是移動節(jié)點根據(jù)所計算得到的距離值，根據(jù)兩點、三邊以及三角測量法等方法，計算出該節(jié)點距離最近的網(wǎng)關的二、三維距離，從而實現(xiàn)了移動節(jié)點相對于參考節(jié)點的定位。
2）基于無線傳感器網(wǎng)絡的井下人員實時定位系統(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答信號從而實現(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行雙向通信。
3、用于煤礦生產安全實時監(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)具有用戶認證數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢以及實時監(jiān)控等多項功能。配置了針對礦井應用的專用無線傳感器網(wǎng)絡，用于數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫服務器和便于信息共享的Internet服務器。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、圖像或視頻的實時監(jiān)視。整個監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設計方法，能夠隨著需求的變化增加新的功能從而不斷地進行完善具有良好的可擴展能力。
4、技術趨勢
傳感器網(wǎng)絡有著巨大的應用前景和發(fā)展空間，被認為是將對21世紀產生巨大沖擊的技術之一。傳感器網(wǎng)絡以一種新的無處不在的主動式計算模式推動科技發(fā)展和社會進步已成為國家競爭的焦點，從而關系到國家政治、軍事和社會安全等諸多方面。發(fā)展具有自主知識產權的傳感器網(wǎng)絡技術，完成推動新興傳感器網(wǎng)絡產業(yè)化的跨越式發(fā)展，對于我過在21世紀的國際戰(zhàn)略地位具有領先地位至關重要意義。
摘 要 煤礦安全信息遠程監(jiān)測系統(tǒng)正變得越來越復雜，對數(shù)據(jù)的實時性、完整性和正確性，尤其是對實時數(shù)據(jù)響應的快速性、對監(jiān)測環(huán)境的遠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程監(jiān)測系統(tǒng)，較為詳細地介紹了系統(tǒng)的總體設計、軟硬設計、數(shù)據(jù)傳輸程序設計及信息安全設計。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸實時、完整、正確、遙控性能較好、數(shù)據(jù)處理和存取快速、系統(tǒng)可擴充并靈活支持擴展應用等特點,便于管理層快速、及時、準確地獲取生產數(shù)據(jù)，提高決策科學性。
關鍵詞 煤礦安全 監(jiān)測系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) 傳感器網(wǎng)絡
1 前言
煤炭作為我國重要的能源之一，在國民經濟發(fā)展中有著至關重要的地位。然而，在我國煤礦企業(yè)管理過程中，安全問題尤為突出。安全與生產的關系是相輔相成的，只有創(chuàng)造一個穩(wěn)定、安全的生產環(huán)境，才能保障更高的生產效率，才能帶來更多的經濟效益。
安個與生產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)都必須認真考慮。傳統(tǒng)的人工苦力開采己經不再存在，智能化開采技術已經實現(xiàn)部分環(huán)節(jié)由機器設備代替人工，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)境狀況進行實時監(jiān)測、分析，實現(xiàn)了計算機網(wǎng)絡管理智能化。
引入物聯(lián)網(wǎng)技術，應用到礦山安全管理過程中，通過嵌入在各種設備中的傳感器采集其運作信息，并對這些信息進行處理和共享，實現(xiàn)煤礦企業(yè)所有工作人員之間、工作人員與運轉設備之間及所有運轉設備之間的智能化管理，打造一個先進的智慧礦山。
物聯(lián)網(wǎng)在礦山方面的應用發(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)大學合作建立了感知礦山工程研究中心，成為物聯(lián)網(wǎng)應用的一個重要研究領域。它通過物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)對真實礦一山的可視化、智能化和數(shù)字化。其目的在于將礦山的地理、地質、生產、安全管理、產品加工、運銷等各種綜合信息進行數(shù)字化，將感知、傳輸、信息處理及智能云計算等物聯(lián)網(wǎng)技術與現(xiàn)代采礦、礦物加工等技術相互緊密結合，以實現(xiàn)詳盡地動態(tài)地描述并控制礦山生產與運營的安全過程，解決礦山瓦斯爆炸、透水事故等各種災害預防的難題。
“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，利用信息、網(wǎng)絡等技術感知并監(jiān)控礦區(qū)運煤皮帶、煤倉、變電站等各個生產相關系統(tǒng)，很大程度上提高了礦區(qū)的自動化生產水平。實施“感知礦山”的重點是將與安全生產相關的感知層設備接入網(wǎng)絡。在礦區(qū)建設生產過程中，所使用的傳感器生產廠商不一，協(xié)議接口也就不一致，更甚者，在早期建設的項目中，有些設備是沒有智能接口的?？傊兄V山的基礎就是將設備全面接入傳感網(wǎng)絡對礦區(qū)進行多層次實時監(jiān)測。
2 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)總體采用分布式架構，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)結合，實現(xiàn)系統(tǒng)內預警、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能力。整個遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用井下分控、礦區(qū)總控、各級安全監(jiān)管機構三級構架組成的多層監(jiān)測模式。各級安全監(jiān)管機構可實時查看所轄礦區(qū)的安全生產情況數(shù)據(jù)。每個礦區(qū)設一個總控室對各礦井進行管理，各礦井設分控室對應礦井內各種傳感數(shù)據(jù)進行分析和管理。
傳輸網(wǎng)絡：各級安全監(jiān)管機構和各礦區(qū)之間通過監(jiān)控專網(wǎng)連接；各礦區(qū)內分控與總控之間采用專用IP網(wǎng)絡連接；
前端系統(tǒng)：分控室前端采取模數(shù)結合、集中編碼的方法，按自成系統(tǒng)、獨立管控（含控制、存儲）的要求來構成。前端系統(tǒng)能獨立完成安防及數(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)功能較強大和完善，總控系統(tǒng)就顯得相對簡單，總控室的任務可根據(jù)實際現(xiàn)場情況向更重要的目標轉移，使系統(tǒng)更具針對性和實用性。本設計采用網(wǎng)絡監(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)測頂板應力、應變、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，實現(xiàn)對井下生產運行數(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)分控室配備相應的對講系統(tǒng)。系統(tǒng)為總線制的二級網(wǎng)聯(lián)結構，具備全雙工呼叫對講、任意一點一址監(jiān)聽、任意一點一址（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)設計
井下分控單元需要將各個傳感器采集的數(shù)據(jù)進行基本處理和傳輸，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)絡技術，已經不同傳感器應用形式和環(huán)境，將井下傳感器均做成傳感器節(jié)點的形式實現(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?？紤]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。
2.2 軟件系統(tǒng)設計
傳感器單元的軟件設計主要包括，模塊的定義、系統(tǒng)參數(shù)初始化設置和模塊功能實現(xiàn)三個部分。模塊定義主要根據(jù)應用要求定義模塊是FFD還是RFD，從而確定節(jié)點的性質和軟件內核的規(guī)模。系統(tǒng)參數(shù)初始化主要進行協(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，即通信模塊是全功能節(jié)點還是精簡功能節(jié)點，再接著定義模塊的工作頻率和電源管理方式及ZigBee網(wǎng)絡層和MAC層的參數(shù)，如網(wǎng)絡地址、節(jié)點所屬接口、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、成木和應用環(huán)境等方面因素而采取適當?shù)陌踩墑e。藍牙協(xié)議在基帶部分定義了設備鑒權和鏈路數(shù)據(jù)流加密所需要的安全算法和處理過程。設備的鑒權是強制性的，所有的藍牙設備均支持鑒權過程，而鏈路的加密則是可選擇的。藍牙設備的鑒權過程是基于問詢一響應模式和共享的加密方式。為了使藍牙鏈路的數(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備鑒權中得到。這意味著，在使用鏈路加密之前，兩個設備之間至少已經進行了一次鑒權。密鑰的最大長度為128比特。
4 系統(tǒng)特點
（1）對煤礦進行多部門、多層次立體網(wǎng)絡式監(jiān)管，顯著增加各種違規(guī)操作的成本，進而提高煤礦安全監(jiān)管水平；
（2）利用ZIGBEE技術，形成礦區(qū)局部自組織傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)對礦區(qū)各項監(jiān)控指標的實時立體監(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制，提高整個監(jiān)測網(wǎng)絡的安全性能。
5 結語
本文面向煤礦，利用物聯(lián)網(wǎng)技術建立了多部門、多層次的遠程安全監(jiān)測系統(tǒng)，設計并開發(fā)了整個系統(tǒng)的軟硬件平臺，初步對系統(tǒng)的準確性、可靠性和穩(wěn)定性進行了驗證，結果標明達到了精度及穩(wěn)定性的要求。由于單片機的擴展性，該系統(tǒng)未來還可根據(jù)被檢測對象的實際需求配置不同的生理數(shù)據(jù)采集終端，具有很強的靈活性和適應性。
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，確保礦井安全生產又節(jié)約大量成本。
關鍵詞：以太環(huán)網(wǎng) 安全監(jiān)測 應用
近年來特別是國家對于煤礦瓦斯災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、以風定產”瓦斯治理十二字方針尤為重要。實踐證明，對于地方煤礦來說，在落實并實施“十二字”方針中，建立健全以監(jiān)測監(jiān)控瓦斯通風參數(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)，是建立防治瓦斯災害的長效機制，遏制重大瓦斯事故，保證礦井安全生產的重大舉措。堅持裝備并管好用好監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，采用先進的監(jiān)測監(jiān)控手段，準確地反映煤礦井下瓦斯通風參數(shù)的狀況及變化，及時地對作業(yè)地點和被控區(qū)域實行報警、斷電，進而采取果斷措施進行處置，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)煤礦技術力量嚴重缺乏；沒有監(jiān)測監(jiān)控方面的專業(yè)隊伍；管理人員及工人技術及文化素質低，缺乏對監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)及其配套設備的原理、功能、性能、故障原因及檢測、維修、維護方法的了解，因而監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在運行中發(fā)生故障，無力維護和排除。使監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不但沒有發(fā)揮應有的作用，設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)技術培訓等；監(jiān)控系統(tǒng)管理員職責不清。
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，總結經驗，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、管理應采取的對策
近年以來，根據(jù)煤礦安全的實際狀況，國家不斷加大安全投入，并經相關部門提出了一系列關于在“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，落實中央的部署，取得了決定性的成果。
針對有相當一部分地方煤礦具有相距較近的特點，這就給當前自動化領域內的基于以太環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡測控架構的安全監(jiān)測系統(tǒng)提供了更好發(fā)展的舞臺，以太環(huán)網(wǎng)測控架構下的安全監(jiān)測系統(tǒng)具有高速、大容量、開放性和適應性強的優(yōu)點，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)省了中心站設置。節(jié)約成本投入。加之基于IP的Internet網(wǎng)絡測控技術很大程度解決各種測控設備和計算機設備風各種網(wǎng)絡互聯(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將測量、控制和信息管理結合起來，通過系統(tǒng)各要素之間充分協(xié)調配合，使系統(tǒng)整體達到最優(yōu)目標。完全能夠實現(xiàn)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能?；谝蕴h(huán)網(wǎng)下的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結構是依靠其強大的遠程化、智能化的測控功能，從而實現(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
基于以上原則，圖1設計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，圖中描述了測量、控制設備與網(wǎng)絡相互連接組成一個安全監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)構成主要分為以下二網(wǎng)絡層次：
第一網(wǎng)絡層次：是各被控設備通過網(wǎng)絡化智能監(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，供單片機處理、傳送、控制指令由輸出端口輸出到設備的執(zhí)行控制機構，串行接口作為設備與監(jiān)控裝置進行數(shù)據(jù)交換的擴展接口和連接微機的虛擬控制臺接口。
第二網(wǎng)絡層次：是區(qū)域以太環(huán)網(wǎng)。在這一層次中，各煤礦的網(wǎng)絡設備和管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡設備等連成一個局域內部的網(wǎng)絡，有較高的安全性。
采用上述方法的特點:
(1)網(wǎng)絡化智能監(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，對輸入的普通模擬信號進行辨識并處理，然后進行編碼并通過網(wǎng)絡響應遠方的請求，同時監(jiān)控裝置也可對接收自網(wǎng)絡的有效數(shù)據(jù)指令進行解釋，以決定在相應的端口輸出操作信號，通過以太環(huán)網(wǎng)平臺的處理和轉換，普通的設備不需要處理復雜的網(wǎng)絡協(xié)議，就可實現(xiàn)網(wǎng)絡測控。
(2)該結構能更高效的使用網(wǎng)絡資源。裝置接入層與以太環(huán)網(wǎng)連接，采用星形拓撲結構，既可以在競爭占用總線的工作狀態(tài)下，也可以利用交換機采用專線連接滿足特定場合的實時性的要求。
(3)該結構體現(xiàn)了信息網(wǎng)與控制網(wǎng)的有效結合的特點。在很多測控場合，測控數(shù)據(jù)對控制有非常嚴格的實時性要求，將信息網(wǎng)與控制網(wǎng)相結合構成一種質優(yōu)價廉、靈活性高的綜合測控系統(tǒng)。
4、該系統(tǒng)的實現(xiàn)實例
本人所在的寧夏松山工貿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。各項功能完全符合《（AQ6201-2006）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求》、《（AQ1029-2007）煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》等相關要求。
摘要： 在當前計算機網(wǎng)絡飛速發(fā)展的新形勢下，在軍事和工業(yè)領域，無線傳感器網(wǎng)絡得到了廣泛應用，尤其是在那些傳輸數(shù)據(jù)量較少，使用電池供電，設備成本較低的應用場合應用最為廣泛?？茖W技術的發(fā)展日新月異，國家也不斷提高煤礦企業(yè)安全生產要求，為了迎合企業(yè)長遠健康發(fā)展的需要，煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)走進國內各大煤礦企業(yè)。本文探討了基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)。
關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡；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)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、遙測、遙控技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，是一個范圍廣、動態(tài)性、自組織和可靠的監(jiān)控網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡技術作為計算機科學技術的一個新的研究領域，其研究、開發(fā)和應用，關系到國家安全、經濟發(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，被認為是將對本世紀產生巨大影響力的技術之一。
2 無線傳感器網(wǎng)絡的特點和體系結構
2.1 無線傳感器網(wǎng)絡的特點 無線傳感器網(wǎng)絡不僅具有傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡動態(tài)、多跳、自組織的特點，而且還具有很多獨特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡是自組織的無線局域網(wǎng)絡，它是由很多節(jié)點組成的，其主要原因是希望傳輸具有服務質量要求的多媒體信息流（這主要通過移動管理技術和動態(tài)路由實現(xiàn)），另外，傳統(tǒng)Ad-hoc網(wǎng)絡的所有節(jié)點都能夠進行移動，具有復雜多變網(wǎng)絡拓撲結構，節(jié)點必須通過電源持續(xù)供電。與之相反，無線傳感器網(wǎng)絡是更加先進的網(wǎng)絡系統(tǒng)，主要集成了監(jiān)測、控制以及無線通信功能，顯著的優(yōu)點是它具有更多的傳感器節(jié)點，并且節(jié)點分布更為密集。
2.2 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。在無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構中，無線傳感器網(wǎng)絡各層都設計到三個管理：能量管理、任務管理和移動管理。應用層主要負責任務管理，給各個子網(wǎng)和傳感器節(jié)點分配監(jiān)測任務，應用層也考慮移動管理。網(wǎng)絡層與數(shù)據(jù)鏈路層負責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管理問題。
3 基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)
3.1 基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的提出 煤炭開采主要工作地點是在離地面幾百米的井下，環(huán)境復雜、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、運煤鋼軌、風門以及動力線等設備，各種機械不時的發(fā)出噪音。在煤礦井下，無線電波的傳播具備其自身的特點，所以，在進行系統(tǒng)的設計的過程中，必須進行謹慎的思考，并作出認真的需求分析和設計，避免不必要的問題的產生。本系統(tǒng)設計方案中采用的2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee標準，就能夠滿足井下環(huán)境對無線傳感器網(wǎng)絡的要求。
基于無線傳感器的井下采煤工作面安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計復雜，它涉及到整個監(jiān)測網(wǎng)絡的應用環(huán)境、應用目的、系統(tǒng)硬件設計和軟件設計等。基于無線傳感器的井下采煤工作面安全監(jiān)測網(wǎng)絡的應用的設計，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、運煤鋼軌、風門以及動力線等設備，各種機械不時的發(fā)出噪音的井下進行煤礦環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，同時，通過基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡的應用，能夠進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，并結合煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求，最終確定了基于ZigBee的井下采煤工作面安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計方案。
3.2 基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求及性能指標 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標準的采用，從而實現(xiàn)的一個無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，這個無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是一個速率比較低、距離比較短的無線傳感器網(wǎng)絡，并且，這個無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡具備比較低的射頻傳輸成本。
主要性能指標如下：
①組網(wǎng)與通信：完成無線傳感器眾多的不同的節(jié)點之間點到點、點到多點的無線通信，并且能夠實現(xiàn)這些節(jié)點之間的自組網(wǎng)絡，同時，也能夠提供服務支持給基礎和管理服務層。
②通信協(xié)議標準：ZigBee協(xié)議和IEEE802.15.4標準。
③網(wǎng)絡拓撲結構：拓撲結構是網(wǎng)狀的。
④應用系統(tǒng)：可以實現(xiàn)通用網(wǎng)絡服務的提供，同時，也可以實現(xiàn)面向各個不同領域的網(wǎng)絡服務的提供。
⑤管理與基礎服務：通過組網(wǎng)與通信部分提供的服務，可以提供服務支持給應用系統(tǒng)。
⑥數(shù)據(jù)傳輸速率：250KBps。
⑦調制方式：DSSS（O-QPSK）。
⑧使用頻段：2.4-2.483GHz。
⑨節(jié)點功耗：5OmW-300mW。
⑩接收靈敏度：-94dBm的接收靈敏度。
{11}時延：進行激活或信道接入的時延是15ms，進行設備搜索的時延是30ms。
{12}節(jié)點間通信范圍：75m-100m。
4 結束語
煤礦無線監(jiān)測作為一個新興的研究領域，具有十分廣闊的應用前景。本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡的特點，并且通過對比各種應用于井下無線通信技術的特點，選擇了ZigBee技術作為無線傳感器網(wǎng)絡的通信平臺，實現(xiàn)對井下各種環(huán)境及生產參數(shù)全方位、實時監(jiān)測和智能預警，以大大降低煤礦生產安全隱患。
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)字瓦斯傳感器實時檢測瓦斯, 提高了測量精度; 采用無線傳感器網(wǎng)絡, 避免了其它無線通信技術高功耗的缺點。
關鍵詞: 煤礦；瓦斯監(jiān)控； 數(shù)字瓦斯傳感器；無線傳感器網(wǎng)絡；AVR 單片機
1 系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)主要由流量傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點 2 個部分組成，流量傳感器節(jié)點負責傳感器的數(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，匯聚節(jié)點負責控制子節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，并且負責將各個子節(jié)點的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式計算機。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 單片機作為節(jié)點的微處理器。AT mega128L 采用精簡指令集 (RISC) 結構,加上哈佛總線的存儲器結構、兩級流水線指令結構、單周期指令等技術, 大大提高了系統(tǒng)運行的效率。AT m ega128L 具備以電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡應用所需的主要功能, 包括納瓦功耗管理、自編程閃存程序存儲及先進的模擬、控制和通信外設。采用A T mega128L與射頻收發(fā)器CC2430結合, 實現(xiàn)了高度集成、成本低廉的節(jié)點。
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)絡的物理層射頻前端實現(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,在單個芯片上整合了ZigBee 射頻( RF ) 前端、內存和微控制器。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, 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 的圖形點陣式 H G128643 液晶顯示器進行流量顯示, 利用 AT mega128L 的2 個端口分 別驅 動 1 個蜂鳴器和1 個高亮度的紅色L ED 來進行流量越限聲光報警。HG 128643 液晶顯示模塊是使用 KS0108B及其兼容控制驅動器作為列驅動器, 同時使用 KS0107B 及其兼容驅動器作為行驅動器的液晶模塊。由于KS0107B不與 M PU發(fā)生聯(lián)系, 只要提供電源就能產生行驅信號和各種同步信號, 故設計較為簡單。另外, 該液晶顯示器能顯示 ASCII 字符、漢字和各種曲線, 可與單片機連接構成功能強大、結構簡單的人機界面, 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( sink) 節(jié)點才有。sink節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡中特殊的節(jié)點, 負責嵌入式計算機與傳感器網(wǎng)絡的通信, 向下級節(jié)點發(fā)送查詢命令, 接收下級節(jié)點回傳的數(shù)據(jù)并由串口發(fā)送給嵌入式計算機。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 460 kbit / s, 滿足接收器和嵌入式計算機之間的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?工作溫量為 - 40~+ 85, 能適應煤礦井下惡劣的環(huán)境。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1WSN 通信協(xié)議及網(wǎng)絡結構
根據(jù)井下的具體情況, 決定采用簇狀拓撲結構。簇狀拓撲結構的優(yōu)點是將很大的網(wǎng)絡化分成若干獨立區(qū)域, 在這些區(qū)域內, 數(shù)據(jù)獨立地進行處理和匯聚。在每一簇內部的通信可以是單跳也可以是多跳通信。上級網(wǎng)絡將利用更高的傳輸帶寬, 或者將上級網(wǎng)絡連接到一個有線網(wǎng)絡上, 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)點程序設計
匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點,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)關設備。匯聚節(jié)點具有 2 種功能: 網(wǎng)絡維護功能和數(shù)據(jù)傳輸功能，網(wǎng)絡維護功能主要是負責組建 ZigBee 網(wǎng)絡、分配網(wǎng)絡地址及維護綁定表。數(shù)據(jù)傳輸功能主要是充當 ZigBee 網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關, 將 2 個使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡連接在一起, 實現(xiàn) 2 種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換。所有流量傳感器節(jié)點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)點上, 匯聚節(jié)點將這些數(shù)據(jù)轉換之后通過串口傳給嵌入式計算機; 另一方面, 匯聚節(jié)點接收嵌入式計算機發(fā)送過來的數(shù)據(jù), 并將這些數(shù)據(jù)轉換之后發(fā)送給目標節(jié)點。匯聚節(jié)點程序流程如圖 2 所示。
2.3流量傳感器節(jié)點程序設計
流量傳感器節(jié)點主要負責采集傳感器數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關節(jié)點, 同時接收來自網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行相關操作。當沒有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時轉入休眠模式, 節(jié)點 功耗降到最低。流量傳感器節(jié)點程序流程如圖 3 所示。
主程序初始化相應的寄存器和變量及相應的管腳后, 進入主循環(huán)。主循環(huán)負責對外部傳感器信號轉換后的電壓信號進行采樣及處理, 轉換成相應的值, 并送到對應的緩沖區(qū), 然后判斷是否超限, 若是則啟動相應的報警程序, 否則結束此次循環(huán)。
3 測試結果
將按上述方案設計的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)應用到煤礦井下進行現(xiàn)場試驗, 測試結果如表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。測量值與標準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)絡傳輸過程中幾乎不會引入誤差,而且系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
4 結束語
本文提出了一種以AT mega128L單片機為中央處理器, 基于無線傳感器網(wǎng)絡的集監(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、體積小、功耗低、性能可靠等特點, 同時利用無線傳感器網(wǎng)絡對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行傳輸, 有效地實現(xiàn)了對煤礦井下瓦斯的實時監(jiān)測。
摘要：網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)隨著科學技術的不斷向前發(fā)展，也在煤礦行業(yè)得到廣泛的應用，并且取得了一定的良好效果，這體現(xiàn)出了網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)具有廣闊的應用前景和潛力。隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤礦的災害也嚴重影響了煤礦的安全高效生產，比如有頂板事故、突水事故、瓦斯事故、粉塵危害等幾大災害，其中瓦斯災害就是其中影響最為嚴重的一種。因此，針對開灤林西礦業(yè)公司提高安全生產的需要，對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計與安裝以及監(jiān)測系統(tǒng)的理念進行了闡述，并對整套系統(tǒng)的銜接進行了描述。這種礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的管理模式在煤礦生產中正快速的發(fā)展中，對提高煤礦的經濟效益和社會效益有著巨大的作用。
關鍵詞：礦井瓦斯；網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)； KJ2000N系統(tǒng)；安全管理
1、前言
眾所周知，網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)隨著科學技術的不斷向前發(fā)展，也在煤礦行業(yè)得到廣泛的應用，并且取得了一定的良好效果，這體現(xiàn)出了網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)具有廣闊的應用前景和潛力。在煤礦生產過程中，存在著很多災害直接影響煤礦的安全生產，比如有頂板事故、突水事故、瓦斯事故、粉塵危害等幾大災害，其中瓦斯災害就是其中影響最為嚴重的一種，因此，要保證煤礦生產安全高效的運行，必須有效防治瓦斯災害。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中正快速的發(fā)展中，對提高煤礦的經濟效益和社會效益有著巨大的作用。KJ2000N系統(tǒng)在煤礦生產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，還可以對井下的設備參數(shù)進行自行處理和編輯，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。第三，在進行數(shù)據(jù)處理的時候，可以在井上處理，方便工程技術人員對通風系統(tǒng)的管理。第四，能夠實現(xiàn)遠距離的連續(xù)傳輸和對工作面的實時監(jiān)測，也可實現(xiàn)超限報警，自動斷電。
2、網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)簡介
2.1 系統(tǒng)結構圖
KJ2000N系統(tǒng)由地面中心站、網(wǎng)絡傳輸接口、井下分站、井下防爆電源、各種礦用傳感器、礦用機電控制設備及KJ2000N安全生產監(jiān)測軟件組成。地面中心站是整個系統(tǒng)的控制中心，安裝在地面計算機房。井下部分包括：KJ2007(F，G等)井下分站，KDW6B隔爆兼本質安全型電源，各種安全、生產監(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、生產參數(shù)進行實時監(jiān)測和處理，并將安全生產參數(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。地面中心站經過網(wǎng)絡傳輸接口采用光纜與井下分站聯(lián)結通訊。當前情況下，煤礦生產中所使用的監(jiān)控設備已經在各個生產工作面、掘進面等一些主要的機電硐室均被廣泛應用，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)可以準確、全面地了井下安全情況和生產情況，實現(xiàn)對災害事故的早期預測和預報，并能及時地自動處理。這樣既提高了煤礦的生產效益，又彌補了由于井下瓦斯員的疏忽大意所導致的數(shù)據(jù)部準確等原因造成的定時定點匯報的不足，進行實時監(jiān)測監(jiān)控，并且可以利用監(jiān)測數(shù)據(jù)庫進行安全趨勢分析研究，對井下災害進行預測預報，實現(xiàn)安全管理的雙保險。
圖一KJ2000N系統(tǒng)結構圖
2.2 注意事項及相關建議
（1）按照要求及時對傳感器進行調試、校正，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。
（2）及時捧除故障，加強系統(tǒng)維護，確保其正常運行。
（3）必須按照要求設置傳感器的位置。隨著工作面的推進，要及時調整傳感器的位置，使其真實反映井下的情況。
（4）備用監(jiān)控系統(tǒng)的操作與功能。當由于人為或外界因素導致主監(jiān)控服務器的監(jiān)測應用程序停止工作或服務器斷電等原因正常監(jiān)測不能進行的時候，備用監(jiān)控服務器可在5 s內人為手動打開監(jiān)測應用程序，保證監(jiān)測的正常進行，保證了用戶應用程序的連續(xù)性。
（5）隨時和廠家聯(lián)系，及時解決安全監(jiān)控系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的新問題。
3、系統(tǒng)體系結構
該監(jiān)測網(wǎng)絡系統(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)絡體系結構。
(1)建立一級數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。
(2)在國有重點煤業(yè)集團建立二級數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。
(3)在煤炭管理部門設立二級數(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)絡式的監(jiān)管方式，這樣才能實現(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行有效的監(jiān)管。各監(jiān)管部門的監(jiān)管人員應該及時對數(shù)據(jù)進行處理，這樣可以更好的有效的對煤礦瓦斯進行監(jiān)測和監(jiān)控，病區(qū)要將數(shù)據(jù)處理結果上傳到網(wǎng)上，方便工程技術人員參考，這種監(jiān)管模式對煤礦的安全高效生產能夠起到很好的監(jiān)督和監(jiān)控作用，同時這對煤礦安全生產形勢的穩(wěn)定好轉具有積極的意義。只有有效的保證煤礦瓦斯網(wǎng)絡化實時監(jiān)控項目的實施，這樣才能夠使得煤礦安全又了進一步的保證，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化，這樣在煤礦生產中就形成了多級監(jiān)管體系和安全生產綜合信息網(wǎng)絡, 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，便于煤礦領導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重要意義。第一，這項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)進行修改，然后上報，這樣使得數(shù)據(jù)極不真實, 多數(shù)情況下也無法追溯核實,這樣使得瓦斯事故在煤礦生產中高發(fā)的一個重要原因。第三，監(jiān)控網(wǎng)絡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)進行宏觀分析, 微觀指導。
5、結論
綜上所述， KJ2000N系統(tǒng)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中得到廣泛應用，這樣既增強了系統(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充，對協(xié)調我國礦井設備落后與高生產效率要求之間的矛盾也有一定的指導意義，并且使得網(wǎng)絡在礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中得到了充分的應用，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)進行宏觀分析, 微觀指導。督促煤礦把問題和隱患消滅在萌芽狀態(tài)。KJ2000N系統(tǒng)，實行通過網(wǎng)絡對瓦斯進行監(jiān)測，這種礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的管理模式在煤礦生產中正快速的發(fā)展中，對提高煤礦的經濟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濟效益，起到了積極作用。同時為井下工人的安全提供了進一步的保證，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，本文設計了多傳感器融合的井下環(huán)境檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對采集到的信息進行數(shù)據(jù)融合，使系統(tǒng)決策更加科學合理，同時減少了巷道內的走線數(shù)量。實際使用表明，系統(tǒng)具有較好的實時性、可靠性，并具有良好的擴展和升級能力。
關鍵詞：μc/OS-II；煤礦；環(huán)境監(jiān)測；任務規(guī)劃
引言
為保障煤礦安全生產和職工人身安全，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，眾多相關文獻已經發(fā)表，國內外也已有多款成型產品，例如凱茂CO 100精密型一氧化碳儀、cosmos X0-2200氧氣計。從現(xiàn)場應用情況來看，雖然已有的參數(shù)檢測設備能夠較好地滿足測量需求，但仍存在下述缺點：一，測量參數(shù)單一，無法對測量點的環(huán)境做出準確的判斷，需要將數(shù)據(jù)傳送至地面做進一步處理；二，每個檢測設備需要一路傳輸線。
針對上述問題，在對徐礦集團旗下若干煤礦進行設備更新項目中，設計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，對井下環(huán)境做出更加科學合理的判定，降低誤報率。測量數(shù)據(jù)經一路傳輸線傳送至井下分站，降低了走線成本和復雜度。本項目開發(fā)過程中使用了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II，μC/OS-II的引入是系統(tǒng)設計成功的關鍵。本文介紹了嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded OperationSystem，EOS)相關概念和設計原則，并以煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計過程為例分析了基于μC/OS-II的實時多任務系統(tǒng)的開發(fā)要點。
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。從技術角度來講，EOS是一種用途廣泛的的系統(tǒng)軟件，負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度、控制、協(xié)調并發(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到系統(tǒng)所要求的功能。
對于實時多任務EOS的開發(fā)，關鍵是合理地進行任務劃分。對于任務的劃分，并沒有統(tǒng)一的標準，也很少有相關論文對任務劃分的原則有較詳細的介紹。本文列出本項目任務劃分所依據(jù)的主要原則：
(a)解耦原則：任務之間的耦合關系是影響軟件復雜度的重要因素，緊密相關的功能應盡量組成一個任務，以減少任務耦合；應盡量使用數(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)實時性原則：大多數(shù)商業(yè)內核都是占先式實時內核，即在就緒條件下，內核總是運行優(yōu)先級最高的任務，因此對實時性要求高的功能應采用高優(yōu)先級任務實現(xiàn)，占用CPU時間較長的任務應盡量賦予較低的優(yōu)先級。
(c)I/0決定原則：對每個獨立的硬件(例如GPIO)進行操作的驅動程序應放在一個任務中完成，以避免資源沖突。
任務的劃分不能一成不變地遵循上述原則，必須結合項目的特點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)中的應用來說明。
2系統(tǒng)設計
文獻[4]分析指出，煤礦井下環(huán)境參數(shù)的檢測至少應包括可燃性氣體、02、CO和溫度的測量。經過現(xiàn)場考察也發(fā)現(xiàn)在井下巷道內眾多地點均需要對上述四個參數(shù)進行檢測，因此設計了四參量環(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)需要在地面實時顯示和存儲，因此需要進行數(shù)據(jù)傳輸。
正常檢測外的系統(tǒng)自檢功能等。
軟硬件設計具備良好的擴展性，方便系統(tǒng)升級。
2.1硬件實現(xiàn)
據(jù)需求分析得出硬件設計框圖如圖1所示。MCU選用NXP公司的LPC2214，該芯片基于ARM7TDMI-S內核，內含256KB高速Flash，16KBSRAM；片內集成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，完全滿足應用及擴展需求。
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理電路送入MCU片內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軟件實現(xiàn)
通過需求分析及硬件設計發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)任務較多，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)”，即應用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調用相應的功能函數(shù)完成對應的工作，用中斷服務程序處理異步事件。系統(tǒng)對實時性、可確定性、可靠性有較高需求，因此以μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)為基礎完成軟件設計較為合適。
μC/OS-II是一個完全占先式實時內核，即在滿足運行就緒條件下，“C/OS-II總是運行優(yōu)先級最高的任務。應用程序最多可以管理56個用戶任務，μC/OS-II提供很多系統(tǒng)服務，例如郵箱、消息隊列、信號量、內存申請與釋放等。圖2是系統(tǒng)多任務規(guī)劃框圖，圖中每個方框代表一個任務。
由圖2可以看出，任務劃分結構清晰，μC/OS-II的任務編寫具有一定的規(guī)律，從而方便了系統(tǒng)的擴展。當需要添加新的功能時，可以直接增加新任務，也可以修改已有的任務，這對軟件的維護是相當有益的。在編寫任務代碼時，大量使用了指向任務實體的指針和數(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，加強了任務模塊的可重用性。
3結論與展望
μC/OS-II采用基于優(yōu)先級的任務調度策略，因此在進行任務劃分時，必須依據(jù)實時性原則為每個任務分配合適的優(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，不具有面向對象特性，各功能模塊的通用性差。在開發(fā)過程中，設計人員需要編寫大量相似的程序段，因此有必要開發(fā)面向對象的任務表達模型，以及對應的操作系統(tǒng)，進一步提高軟件模塊的可重用性和可維護性。
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，從而給國家財產和礦工生命造成巨大損失。為了應對國民經濟的高速發(fā)展，同時繼續(xù)發(fā)展煤炭開采產業(yè)，煤礦安全工作正成為全國工業(yè)安全生產的重中之重。
關鍵詞 煤礦安全；監(jiān)測；改進
1 多功能瓦斯氣體傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設備
研制基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點包涵了多種科學技術，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等。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的功能是能夠完成實時監(jiān)測環(huán)境對象信息，并將采集的數(shù)據(jù)進行實時處理并以無線方式經過基站傳輸?shù)竭h程服務器，把信息提供給網(wǎng)絡上的終端用戶以實現(xiàn)實時監(jiān)視以及控制。本項目研究和開發(fā)的多功能無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有低功耗的高性能、高可靠性、長傳輸距離等特點，支持面向井下煤礦行業(yè)應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)絡節(jié)點，第一步要從硬件著手設計傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的系統(tǒng)架構以及每一個單元部分的功能，節(jié)點應具有低功耗、可重構和高穩(wěn)定性等特點；根據(jù)節(jié)點的特性對嵌入式操作系統(tǒng)進行裁減優(yōu)化，利用最小的CPU占用率對節(jié)點進行全面控制。
普通傳感器節(jié)點具有功耗低，在節(jié)點全功率工作發(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)點進入休眠模式后功率可以控制在15mW以下。
節(jié)點具有通信距離遠特點，傳感器節(jié)點之間通訊距離在開闊地可以達到300m以上，在室內可以達到50m~100m，在井下也可以達到40m~60m；節(jié)點體積相對較小，傳感器節(jié)點體積可以控制在3cm×5cm×2cm以內；節(jié)點可進行實現(xiàn)遠程控制，可以在遠程控制端對節(jié)點進行遠程管理，改變網(wǎng)絡節(jié)點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)境進行綜合判別；軟件設計采用了嵌入式軟件操作系統(tǒng)，具有體積小、效率高和穩(wěn)定性強等特點，同時由于該系統(tǒng)的設計采用了模塊化的設計方式，因此具有裁減性、方便修改和易于維護等特點。
2 移動井下人員定位技術和定位功能模塊
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并造成嚴重后果。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械設備進行救援，從而導致救援進展緩慢。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行定位。定位步驟如下：首先布設網(wǎng)關和參考節(jié)點，保持網(wǎng)關之間的距離，再布設一些位置已知的參考節(jié)點保證每個移動節(jié)點至少要處于多個參考節(jié)點的射頻信號覆蓋范圍之內。
欲定位時首先確定當前節(jié)點相對于參考節(jié)點之間的位置，因參考節(jié)點的位置把移動節(jié)點相對參考節(jié)點的位置和參考節(jié)點的絕對位置相加，即可得到該移動節(jié)點的絕對位置。具體定位步驟如下：
首先進行移動節(jié)點的相對定位來確定移動節(jié)點相對于參考節(jié)點的位置。采用的測距技術為無線電信號強度和無線電信號覆蓋關系相結合的技術。
RSSI測距是指無線射頻通信時，節(jié)點所接收到的射頻信號強度是隨距離衰減的，采用信號強度隨距離衰減模型并不增加額外裝置。
距離測量是節(jié)點定位時，通過檢測相鄰參考節(jié)點的無線信號強度來計算它們信號強度之比，利用RSSI計算出該員工到多個參考節(jié)點的距離。
位置計算指的是移動節(jié)點根據(jù)所計算得到的距離值，根據(jù)兩點、三邊以及三角測量法等方法，計算出該節(jié)點距離最近的網(wǎng)關的二、三維距離，從而實現(xiàn)了移動節(jié)點相對于參考節(jié)點的定位。
移動節(jié)點把得到的相對于參考節(jié)點的位置值傳送到網(wǎng)關，然后，加上自己的位置信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡管理中心，管理中心的計算機根據(jù)移動節(jié)點的位置和網(wǎng)關的位置就可以確定該移動節(jié)點在井下的絕對位置便實現(xiàn)移動節(jié)點的精確定位。
2）基于無線傳感器網(wǎng)絡的井下人員實時定位系統(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答信號從而實現(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行雙向通信。
3 用于煤礦生產安全實時監(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)具有用戶認證數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢以及實時監(jiān)控等多項功能。配置了針對礦井應用的專用無線傳感器網(wǎng)絡，用于數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫服務器和便于信息共享的Internet服務器。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、圖像或視頻的實時監(jiān)視。整個監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設計方法，能夠隨著需求的變化增加新的功能從而不斷地進行完善具有良好的可擴展能力。
4 技術趨勢
傳感器網(wǎng)絡有著巨大的應用前景和發(fā)展空間，被認為是將對21世紀產生巨大沖擊的技術之一。傳感器網(wǎng)絡以一種新的無處不在的主動式計算模式推動科技發(fā)展和社會進步已成為國家競爭的焦點，從而關系到國家政治、軍事和社會安全等諸多方面。發(fā)展具有自主知識產權的傳感器網(wǎng)絡技術，完成推動新興傳感器網(wǎng)絡產業(yè)化的跨越式發(fā)展，對于我過在21世紀的國際戰(zhàn)略地位具有領先地位至關重要意義。
傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器、計算機嵌入式、分布式信息處理和通信技術等多個領域，無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展既對各行業(yè)各學科的發(fā)展可以起到推動作用，但又強烈地依賴于各行業(yè)各學科的技術支撐。
【摘要】 介紹了一種基于CAN總線的煤礦通風機主軸溫度自動測試系統(tǒng),通過對國內外風機主扇溫度檢測及通訊方法的分析、研究,確定了基于CAN總線的煤礦通風機溫度自動測試系統(tǒng)的控制方案。以嵌入式單片機為核心設計了這一系統(tǒng),并給出了系統(tǒng)的硬件結構和軟件流程。
【關鍵詞】 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總線的特點和工作原理
CAN(controller area network)是一種先進的串行通信協(xié)議,它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN總線是一種多主站總線,各節(jié)點都有權向其它節(jié)點發(fā)送信息。通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。它可以通過簡單的協(xié)議,實現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境下的遠距離實時數(shù)據(jù)的可靠傳輸,且硬件成本較低。主要特點可概括如下:CAN總線任一節(jié)點均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡上的其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),不分主從;CAN總線上的節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級,可以滿足不同的實時要求;借助接收濾波實現(xiàn)多地址的幀傳送;數(shù)據(jù)采用短幀結構,受干擾率低,數(shù)據(jù)幀的信息CRC校驗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);對于嚴重錯誤具有自動關閉總線功能,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,可以保證通信的實時性。通信速率最多可達1Mbps(通信距離40m),通信距離最遠可達10km(傳輸速率5kbps)。通信介質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,它特別適用于系統(tǒng)分布比較分散、實時性要求高、現(xiàn)場環(huán)境干擾大的場合。智能節(jié)點能夠采集現(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。通過事先設置驗收碼和驗收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點從總線上接收哪些數(shù)據(jù)或命令。如果某些數(shù)據(jù)需要進一步復雜的處理,則上位計算機可以從總線上接收數(shù)據(jù)。當上位機需要對某個節(jié)點施加控制動作時,可以采用點對點方式與該節(jié)點通訊;當它要同時對所有節(jié)點施加控制動作時,可以采用廣播方式將命令發(fā)送到總線。這樣當系統(tǒng)正常運行時完全可以沒有上位機的參與。大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸量,同時提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。
(二)DS1820數(shù)字溫度傳感器特點
DS1820是美國DALLAS公司生產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轉換器才能轉換為數(shù)字量的模式,可直接與單片機連接,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 單片機的嵌入式系統(tǒng),可以很方便的利用CAN總線與外界進行數(shù)據(jù)交換。它的優(yōu)點是電路接口比較簡單,只需很少的外圍電路就可實現(xiàn)CAN 通信,受硬件限制比較少;軟件編程容易實現(xiàn)所需功能,只需對相關寄存器進行正確設置即可。
DS1820的特點如下:僅一條線便可以完成讀或寫數(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碼。具體計算如下:先將寄存器中的溫度數(shù)字量求補,再轉換為十進制并除以二,即得被測溫度值。
二、系統(tǒng)的硬件構成
系統(tǒng)硬件由PIC18F458 單片機為控制核心,通過并行DS1820溫度傳感器,檢測出通風機測點溫度,通過PIC18F458單片機信息處理,由CAN 通信接口信號處理器MCP2551進行遠距離信號傳輸,系統(tǒng)通過LCD1602進行就地溫度顯示,同時溫度信號通過MAX232串口與PC機進行組態(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 單片機的嵌入式系統(tǒng),可以很方便的利用CAN 總線與外界進行數(shù)據(jù)交換。優(yōu)點是電路接口比較簡單,只需很少的外圍電路就可實現(xiàn)CAN 通信,受硬件限制比較少;軟件編程容易實現(xiàn)所需功能。
三、系統(tǒng)的軟件設計及抗干擾設計
1.初始化CAN 控制。在使用CAN 之前,必須對它的一些內部寄存器進行設置,如CAN 控制寄存器CANCON、波特率寄存器BRGCONx 的設置以及對郵箱進行初始化(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)設置相應的發(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,則會產生中斷;(5)若信息發(fā)送失敗,則TXREQ 保持為1,并置位相應的狀態(tài)標志。
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 個單獨信息組合的緩沖器。接收郵箱初始化時,要設置其標識符及相關的屏蔽寄存器、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。程序實現(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。
煤礦通風機主軸溫度自動監(jiān)測系統(tǒng)運行一年的情況表明,系統(tǒng)信號傳輸距離長,信號傳輸質量高,系統(tǒng)抗干擾能力強,工作穩(wěn)定。
[摘 要] 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的重要內容是加強煤礦安全生產管理，以防止煤礦事故的發(fā)生。所以，在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)工作中務必提高應對各種突發(fā)事故的能力，因此加強煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)建設的專業(yè)素質至關重要，此外，還應加強制度上的規(guī)范管理，不斷的提高煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計水平，加強對現(xiàn)場的巡視和設備維護等都是必不可少的環(huán)節(jié)。筆者結合煤礦開采環(huán)境，對瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦安全生產監(jiān)督中的應用進行了分析。
[關鍵詞] 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)； 煤礦； 安全生產
作為煤礦安全生產監(jiān)控工作的關鍵性內容，信息的獲得無疑至關重要，而獲得信息的主要手段就是監(jiān)測技術。一般而言，通過煤礦安全生產現(xiàn)有的客觀資料，我們可以初步確定監(jiān)控的初始方案，進而在煤礦工程運營過程中根據(jù)監(jiān)測數(shù)值、經驗方法等內容，開展反饋分析等工作，修正初步方案與施工網(wǎng)絡計劃，以保證工程按照最優(yōu)的設計與施工方案進行。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量中的一些不安全因素，監(jiān)測技術在監(jiān)控中的應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營狀態(tài)，利用監(jiān)控數(shù)據(jù)對流量方案進行整改，并指導開采質量作業(yè)；還可以預見事故風險，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的穩(wěn)定性。通過太陽能光伏技術，我們可以很好地將太陽能轉換為電能，并廣泛應用在瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)當中，太陽能供電部分監(jiān)控結合了煤礦開采的相關特點，對煤礦地點的自然環(huán)境等因素進行分析，確定了系統(tǒng)設計相關參數(shù)，優(yōu)化了供電系統(tǒng)的相關參數(shù)，對煤礦領域的網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)控起到了一定的作用。
1 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的準備工作
1.1 規(guī)范制度，端正思想
一個良好的組織機構，除具備較好的運行機制和管理制度之外，還應該具有健全的崗位制度而且能夠將之貫徹執(zhí)行。因此，在煤礦安全生產網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)控過程中，我們需要一個合適的監(jiān)控管理結構，以便于明確各個工作人員的職權問題，保證個人任務到位，避免權力交叉和責任推諉的現(xiàn)象發(fā)生，這些問題都可以通過建立健全的崗位責任制度得以解決。此外，工作人員不但要對網(wǎng)絡瓦斯監(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)人員的工作責任心與使命感。
1.2 加強瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設備管理
加強設備巡視管理是網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)控的重點，預防設備異常的發(fā)生是監(jiān)控運行管理的主要內容。為了保障監(jiān)控儀器的準確性，應該建立完善的設備定檢制度，儀器設備需要進行定期的檢測，對于一些使用頻率高的儀器，更是要依據(jù)規(guī)定檢測并建立相應的維護記錄以隨時了解其運轉狀態(tài)，保證其正常的運行和及時的維護。
1.3 提高瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的技術管理
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，技術管理在中的作用不容小覷。因此，加強設備的絕緣監(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的支持，就難以稱作是有效的工作。對于系統(tǒng)運行工作的異常情況，及時采取跟蹤測溫，利用圖譜庫進行分析對比，并提出檢測修改的建議，以此來加強設備的有效運行。
2 煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設計
2.1 聯(lián)網(wǎng)設計
為達到網(wǎng)絡帶寬的預定要求，在瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設計中采取分層瓦斯轉發(fā)、本地局域網(wǎng)組播的設計方案，也就是在每個網(wǎng)絡層構設瓦斯轉發(fā)服務端口，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、電視播放墻等設施。具體的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)設計如圖1所示。由于煤礦施工長期通常都較為偏遠，帶寬并不充裕，這種聯(lián)網(wǎng)設計則可以很好地應用于廣域瓦斯聯(lián)網(wǎng)，若考慮到以后省級平臺瓦斯聯(lián)網(wǎng)模式，這種設計方案無疑當前2 Mb帶寬的最佳選擇，不然很容易致使監(jiān)控網(wǎng)絡不穩(wěn)定甚至不能使用。該聯(lián)網(wǎng)設計借助已知煤炭網(wǎng)的部分節(jié)點，經上級授權之后連接并登錄瓦斯流管理服務端口，就可以輕松觀看該服務器監(jiān)控礦區(qū)的生產工作瓦斯，且不會增加前端帶寬負荷，可同時向多個用戶共享圖像信息。
2.2 安全系統(tǒng)體系結構設計
在圖2中，我們可以清楚地看到安全系統(tǒng)體系結構的設計方案。通過4個監(jiān)控工作站或D1單畫面輪巡，將畫面進行分割并上傳到瓦斯流管理服務端口，然后統(tǒng)一由瓦斯流管理服務端口對瓦斯信號進行存儲和，這樣有效地避免工作人員直接訪問客戶端而導致網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象。開展瓦斯監(jiān)控工作時，前端攝像機瓦斯線依次對前端畫面處理器、瓦斯服務器和光端機實施連接，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)已經規(guī)定好的操作流程來對系統(tǒng)進行操作和數(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，我們應該采取一些可運用的技術對系統(tǒng)進行盡可能全面的安全防范，比如說系統(tǒng)加密、防火墻、真實身份認證、授權控制技術等等。監(jiān)控中心在接收瓦斯信息后，第一時間想遠端的瓦斯服務器發(fā)出云臺控制信號，最終傳輸?shù)綌z像機云臺控制線，并直接上傳到系統(tǒng)客戶端。
2.3 瓦斯控制系統(tǒng)
在煤礦保護層上的回收期，我們可以將高抽巷側上方的石板巷回風巷段封閉采空區(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，在封閉墻中鋪設管路進行瓦斯抽采，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。每個封閉墻內鋪設兩道管路，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 瓦斯流管理服務器設計
在瓦斯監(jiān)控設計中，瓦斯流管理服務器無疑是IP瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的精神內容。建立瓦斯流管理服務端口，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)絡帶寬限制的問題，從而保證了各部門及領導可以直接通過桌面計算機對瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)進行訪問，隨時可瀏覽監(jiān)控現(xiàn)場圖像和瓦斯。服務器端擁有通過查詢數(shù)據(jù)庫，進而實現(xiàn)對煤炭安全生產信息化的作用，可以為計算機提供很多實用服務。瓦斯流管理服務器與空間數(shù)據(jù)庫建立連接，可提供大量查詢服務，例如屬性查詢服務、矢量和柵格地圖服務等。在網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)組成部分中瓦斯流管理緩存服務器模塊是相當重要的，服務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)的響應速度也會大大提高?？偟膩碚f，瓦斯流管理服務端為煤礦的安全生產提供了有效的圖像監(jiān)視選擇和瓦斯存儲的功能，可以徹底實現(xiàn)用戶權限管理、自動報警與生產安全建議。
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)視設備，對煤礦井下作業(yè)進行全程生產監(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所接收，為方便光纖傳輸，光端機會將混合后的電信號轉變成光信號，再通過礦井下的光端機把光信號轉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，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 實現(xiàn)效果
計算機網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)控技術應用到煤礦安全生產來，根據(jù)所監(jiān)控出來的瓦斯數(shù)據(jù)，對煤礦生產過程實施自發(fā)監(jiān)控，并且數(shù)據(jù)處理敏捷準確，而且它可以直接對煤礦生產中必要的地物進行自動標注，并將標注數(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，并能直接進行打印實現(xiàn)了導線點計算、展點、制表一體化。系統(tǒng)界面可視化、操作性強，監(jiān)控人員不必進行專門的學習或培訓，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，可以切實地反映煤礦生產的真實狀況，它對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)全過程進行瓦斯拍攝，在瓦斯監(jiān)控工作開展前掌握了煤礦各節(jié)點在實際結構中的相對位置及相互關系，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監(jiān)控的工作效率。計算機網(wǎng)絡瓦斯監(jiān)控管理不但簡單迅速，而且通過數(shù)據(jù)維護自動更新、表格目錄與導線名稱檢索等方法實施管理，煤礦安全生產監(jiān)控的效率明顯獲得了提高。
4 結論
煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)建設涉及到煤礦生產工作的數(shù)百個指標，需要調用大量的數(shù)據(jù)和信息，并要綜合平衡煤礦生產同勞動力之間、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系，要求很高，業(yè)務性和技術性很強，煤礦煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)建設過程實際上是一個多目標動態(tài)決策過程。因此，順應技術進步的潮流，以計算機網(wǎng)絡技術為手段，輔助設計煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)計算機對煤礦安全生產管理是非常必要的。
[摘 要] 應用物聯(lián)網(wǎng)技術對平頂山煤礦產區(qū)白龜山水庫水環(huán)境指標進行遠程自動、實時監(jiān)測，搭建相應的云計算平臺，實現(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。
[關鍵詞] 物聯(lián)網(wǎng)； 云計算平臺； 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數(shù)據(jù)，采集點和采樣頻次受到限制，獲取的信息量較小，且耗費大量人力物力，另外很多水質指標還需要帶回實驗室進行測定，導致數(shù)據(jù)信息無法及時進行時空對比分析。即使部分湖泊水庫采用較為先進的監(jiān)測技術，但由于獲得的時空數(shù)據(jù)量龐大，處理過程復雜度高，籌建所需的大量高性能計算服務器資金消耗巨大，很難實現(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備與通信網(wǎng)絡（如Internet、GPRS、3G網(wǎng)絡等）連接起來，實現(xiàn)智能化管理和應用。日本、韓國、美國、歐洲一些國家基于物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術有效運用在生產生活中，通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人類社會與物質世界的整合，從而提高了資源利用率和生產力水平[4-9]。物聯(lián)網(wǎng)技術的發(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生大量的數(shù)據(jù)信息，若將這些信息有機的聯(lián)合起來，就需要建立一個性能穩(wěn)定的云計算平臺，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)技術和云計算平臺結合，構建水環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，搭建相應的云計算平臺，實現(xiàn)水環(huán)境信息的實時動態(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)工程構建
1.1 系統(tǒng)體系架構
整個系統(tǒng)主要由水質監(jiān)測傳感子系統(tǒng)、多層次通信網(wǎng)絡子系統(tǒng)、云計算平臺和太陽能供電子系統(tǒng)構成，其體系結構如圖1所示。
水質監(jiān)測傳感子系統(tǒng)的下位機軟件采用中心對多點通訊方式，波特率為9600，采用心跳包實現(xiàn)保活機制，通訊信令采用ASCII碼信令。上位機軟件與數(shù)據(jù)中心之間擬通過TCP/IP協(xié)議來實現(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)絡層到應用層的集成融合通信方式，來實現(xiàn)用戶編程接口的統(tǒng)一。云計算平臺數(shù)據(jù)存儲中心基于Oracle數(shù)據(jù)庫來構建，事務處理采用并發(fā)機制和觸發(fā)器機制，最后通過作業(yè)調度來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)機事務處理（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。所有的分析產品和用戶接口（User interface， UI）均采用B/S架構來實現(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
① 數(shù)據(jù)中心及采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)中心體系結構如圖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） 通過由水質參數(shù)傳感器、濾波器、A/D轉化器組成的采集系統(tǒng)，獲得現(xiàn)場實時水質參數(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)中心接收到實時數(shù)據(jù)后，進行邏輯分析，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，結合企業(yè)數(shù)據(jù)庫的作業(yè)/調度以及觸發(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)計的水質分析型數(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)倉庫進行數(shù)據(jù)分析處理，生成用戶需要的各種分析產品。
發(fā)送數(shù)據(jù)流
a） 用戶可通過移動終端設備（比如手機、PDA等）或固定終端的水質數(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，開啟或者關閉供電系統(tǒng)，或者對供電系統(tǒng)進行遠程調控。
② 多層次通信網(wǎng)絡子系統(tǒng)
多層次通信網(wǎng)絡系統(tǒng)架構如圖3所示，采取分層混合網(wǎng)絡體系架構，分為業(yè)務層、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）構成。其中，太陽能電池板是將太陽輻射能轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作，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和過放電保護的作用。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，需要大功率高負荷的實時手動采集時，通過蓄電池來釋放能量。
1.3 相關算法
① 數(shù)據(jù)ETL算法
傳感器水質參數(shù)數(shù)據(jù)通過以下五個流程過程，實現(xiàn)提取、轉化和裝載，最終建立WSDW數(shù)據(jù)倉庫，算法實現(xiàn)流程圖如圖4所示。
② 分類預測算法
基于LSM模型的聚類算法，是一種無教師自動分類算法，針對待聚類的目標數(shù)據(jù)，隨機選取任意一個數(shù)據(jù)作為標兵數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)作為候選數(shù)據(jù)進行聚類。該算法具有敏感度低，數(shù)據(jù)選取次序無關等良好特性，非常適合傳感器數(shù)據(jù)的分析處理，本工程采用基于LSM模型的聚類算法進行水質業(yè)務數(shù)據(jù)分析。
2 系統(tǒng)在白龜山水庫應用
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9. 22 億m3，是一座以防洪為主，兼顧農業(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飲水工程的重要調節(jié)庫。
以白龜山水庫作為實驗站點，建立基于物聯(lián)網(wǎng)（無線傳感網(wǎng)絡）技術的水環(huán)境自動監(jiān)測與分析系統(tǒng)，解決白龜山水庫當前人工水質參數(shù)采集存在的諸多問題，構建白龜山水庫水環(huán)境監(jiān)測云計算中心，實現(xiàn)水資源持續(xù)有效利用和確保用水安全。
2.1 云計算平臺的數(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。利用各類在線水質傳感器，在白龜山水庫入水口、1號監(jiān)測點、2號區(qū)監(jiān)測點以及白龜山水庫出水口等地設立6個實驗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)務需要來設定數(shù)據(jù)采集頻率，對監(jiān)測點水質進行無人值守實時采集。利用數(shù)據(jù)采集器進行濾波、A/D轉化，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)絡傳送至數(shù)據(jù)中心，然后轉化為實際的水質參數(shù)數(shù)據(jù)，不同參數(shù)轉化算法不同。轉化后的水質參數(shù)數(shù)據(jù)，為準確地掌握水質狀況和動態(tài)變化趨勢提供基礎數(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。依此實現(xiàn)對各個采樣點非法入侵、設備破壞、特種保護動物活動提供實時監(jiān)控。
2.2 云計算平臺的數(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)進行轉化、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、通信網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)中心。
傳輸控制節(jié)點負責接收數(shù)據(jù)采集器獲得原數(shù)據(jù)，并通過RS485網(wǎng)絡，將獲得的實時水質參數(shù)信號數(shù)據(jù)傳送到GPRS無線混合通訊系統(tǒng)，經由GPRS以及3G無線網(wǎng)絡傳送到有固定IP地址的數(shù)據(jù)中心。通訊傳輸采用“中心對多點”的TCP模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠透明傳輸。各傳輸控制節(jié)點間也可相互通信，與有固定IP的數(shù)據(jù)中心超級節(jié)點之間形成多層重疊混合網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對整個無線傳感器網(wǎng)絡的管理。各用戶終端設備通過該子系統(tǒng)完成登入、退出及異常處理，建立穩(wěn)定網(wǎng)絡，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 云計算平臺的數(shù)據(jù)處理中心
數(shù)據(jù)中心是整個云計算平臺服務體系的核心，其主要功能是對數(shù)據(jù)的計算和存儲。通過數(shù)據(jù)中心，一方面，實現(xiàn)水質數(shù)字信號信息的接受、分析處理、預警及存儲，另一方面，還可以通過遠程無線控制進行隨機監(jiān)控和采樣周期設定及視頻監(jiān)控等工作。
2.4 云計算平臺的實時監(jiān)控預警
實時監(jiān)控預警子系統(tǒng)提供監(jiān)控和預警兩項功能。監(jiān)控模塊主要完成兩個方面的工作：一方面，提供實時數(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)場圖像進行分析、比對，對異?，F(xiàn)場狀況采取措施；預警模塊也主要完成兩方面工作：一方面，當數(shù)據(jù)中心發(fā)現(xiàn)異常數(shù)字信號后，傳送異常類別給實時監(jiān)控預警子系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成對實時數(shù)字信號的預警處理任務；另一方，為授權用戶和決策人員提供自動預警處理結果。
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監(jiān)測系統(tǒng)供電，因此必須選擇適合當?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，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 結語
應用物聯(lián)網(wǎng)技術構建的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了白龜山水庫水環(huán)境指標的實時動態(tài)監(jiān)測，云計算平臺對監(jiān)測信息進行及時快捷有效地處理并能實現(xiàn)信息共享，為加強水資源管理和提高用水安全提供了有力保障。
[摘 要] 煤礦安全已經成為社會非常重視和關注的問題。針對當前基于有線網(wǎng)絡和固定傳感器技術的監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測盲區(qū)的問題，設計了一套基于Zigbee技術的無線傳感器網(wǎng)絡煤礦監(jiān)測系統(tǒng)方案。分析了煤礦監(jiān)測系統(tǒng)的結構，對系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡部分進行了詳細設計，包括硬件設計和軟件設計。系統(tǒng)對預防煤炭安全事故有著重要的意義。
[關鍵詞] 煤礦安全； 監(jiān)測系統(tǒng)； 無線傳感器網(wǎng)絡； Zigbee協(xié)議； 節(jié)點
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、火災等隱患。我國煤礦生產形勢一直十分嚴峻，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，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，傳感器無法實現(xiàn)快速跟進；一旦網(wǎng)絡發(fā)生故障，系統(tǒng)就會癱瘓等。
無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡自組織、結構靈活、以數(shù)據(jù)為中心的特點很適合礦井環(huán)境安全監(jiān)測的應用，無線通信技術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。本文設計的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，是通過無線傳感器網(wǎng)絡實現(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 機上實時地顯示出來，對煤礦井下環(huán)境數(shù)據(jù)進行全方位實時監(jiān)測和智能預警，對煤礦的安全生產具有重大的意義。
1 總體結構
整個系統(tǒng)分為井上及井下兩大部分，由協(xié)調器、終端節(jié)點、路由節(jié)點、監(jiān)控計算機和監(jiān)控中心管理系統(tǒng)組成。在主巷道的入口處架設協(xié)調器，在煤礦井下主巷道和采掘工作面中每隔幾十米布設一個路由節(jié)點，礦井工作人員佩戴移動的終端節(jié)點，每個采掘區(qū)形成一個無線傳感器網(wǎng)絡，它通過協(xié)調器采用總線與地面監(jiān)控計算機相連。其中協(xié)調器、終端節(jié)點、路由節(jié)點構成基于zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡，三種節(jié)點相互配合，共同完成對瓦斯?jié)舛?、溫濕度?shù)據(jù)的采集、傳輸和對網(wǎng)絡的管理。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。
系統(tǒng)井下部分為路由節(jié)點和終端節(jié)點構成的ZigBee網(wǎng)絡。終端節(jié)點上使用瓦斯傳感器、溫濕度傳感器等對井下環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，并通過路由節(jié)點的轉發(fā)送給井上協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器節(jié)點與監(jiān)控計算機通過串行接口將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機收集數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進行實時監(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)點硬件設計
協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點采用相同的硬件設計?？紤]到系統(tǒng)具有低功耗和可靠性高等要求， PIC18F4620單片機具有低功耗、性能穩(wěn)定的特點；CC2420射頻芯片只需簡單外圍電路設計，且支持ZigBee協(xié)議。傳感器節(jié)點采用PIC18F4620單片機和CC2420射頻芯片。節(jié)點的硬件結構如圖2所示。
節(jié)點硬件平臺以PIC18F4620單片機和CC2420射頻芯片為核心，在單片機上擴展出SPI接口與CC2420進行連接，它們之間采用主從模式進行通信，同時還在外圍擴展了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)境相關數(shù)據(jù)信息進行采集，傳感器采集的數(shù)據(jù)經過信號放大、A/D轉換等處理后傳輸給控制器。然后節(jié)點利用CC2420射頻收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點，當數(shù)據(jù)值超標，產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，可以實現(xiàn)瓦斯?jié)舛?%以內的檢測，且當持續(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)舛葓缶鞯臏蚀_性。節(jié)點采用9V電池供電，通過穩(wěn)壓器將電壓輸出轉換為系統(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語言使用內置編輯器創(chuàng)建和編輯源代碼。MPLAB ICD 2 在線調試器實時調試可執(zhí)行邏輯，使用 MPLAB ICD 2 器件編程器向單片機中燒寫。
ZigBee協(xié)議棧由Microchip協(xié)議棧的3.5版本來實現(xiàn)。Microchip協(xié)議棧的3.5版本能夠在大多數(shù)PIC18系列的單片機上進行移植，并支持各種ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構，能夠實現(xiàn)全功能設備和精簡功能設備的功能。
4 節(jié)點程序設計
在本系統(tǒng)中，節(jié)點設備的功能不同。傳感器終端節(jié)點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)境相關數(shù)據(jù)信息進行采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點；路由器節(jié)點的應用層程序主要功能是網(wǎng)絡路由的維護、節(jié)點的管理和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)龋粎f(xié)調器節(jié)點的任務是創(chuàng)建整個網(wǎng)絡，并將從傳感器節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給監(jiān)控計算機，同時將控制命令發(fā)送給網(wǎng)絡中的節(jié)點。傳感器終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點均有各自的應用層程序文件：RFD.c、 Router.c、Coordinator.c，這三個文件分別是終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點的應用程序，分別實現(xiàn)了各自的功能。
終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點三種節(jié)點的應用程序都是通過調用原語，通過改變原語的狀態(tài)使ZigBee協(xié)議棧的各子層實現(xiàn)相應的操作來實現(xiàn)的。在程序的初始階段都要先對看門狗、硬件、協(xié)議棧及其它部分進行初始化操作。節(jié)點初始化后，協(xié)調器節(jié)點建立并維護網(wǎng)絡，路由器節(jié)點和終端節(jié)點在建好網(wǎng)絡后加入網(wǎng)絡，負責各自在網(wǎng)絡中的任務。
4.1 協(xié)調器節(jié)點程序設計
協(xié)調器節(jié)點作為網(wǎng)絡的中心節(jié)點，是無線傳感器網(wǎng)絡和監(jiān)控計算機的聯(lián)系紐帶。它一方面要創(chuàng)建網(wǎng)絡，對網(wǎng)絡地址進行分配，并維護網(wǎng)絡狀態(tài)；另一方面要在收到數(shù)據(jù)請求時從終端設備節(jié)點讀取數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控計算機。在協(xié)調器節(jié)點開始運行后，要先對PIC18F4620單片機和CC2420芯片進行初始化操作，然后創(chuàng)建網(wǎng)絡并對網(wǎng)絡進行監(jiān)聽，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控計算機。節(jié)點的程序流程圖如圖3所示。
4.2 路由節(jié)點程序設計
終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點之間可能因為距離等問題無法直接進行數(shù)據(jù)的傳輸，路由節(jié)點的功能主要是幫助協(xié)調器節(jié)點建立完整的網(wǎng)絡，管理其覆蓋范圍內的傳感器終端節(jié)點，對網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行轉發(fā)，類似于一個網(wǎng)絡中繼站。當協(xié)調器節(jié)點創(chuàng)建網(wǎng)絡以后，路由節(jié)點要搜索并加入網(wǎng)絡，然后管理其覆蓋區(qū)域的傳感器終端節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡。該節(jié)點的流程圖如圖4所示。
4.3 終端節(jié)點程序設計
系統(tǒng)的終端節(jié)點實現(xiàn)的功能是利用節(jié)點上的傳感器對環(huán)境對象的數(shù)據(jù)進行感知和采集，對采集的數(shù)據(jù)進行一定的處理，然后通過CC2420射頻芯片將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點。終端節(jié)點在收到協(xié)調器節(jié)點的數(shù)據(jù)請求命令后才會進行相關數(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)點的軟件流程圖如圖5所示。
5 結束語
將無線傳感器網(wǎng)絡應用到煤礦安全監(jiān)測中，可隨意增加移除監(jiān)測節(jié)點，方便網(wǎng)絡擴展，彌補了煤礦目前的煤礦生產安全監(jiān)控系統(tǒng)的不足，具有重要的現(xiàn)實意義。
隨著無線傳感器網(wǎng)絡和煤礦監(jiān)控技術的發(fā)展，成本的不斷下降和體積的進一步減小，無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的大規(guī)模應用會很快實現(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光成像技術的應用與研究，將檢測、成像及診斷系統(tǒng)的結合一體，完成對膠帶內鋼絲繩芯銹蝕、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。對重點隱患部位進行重點檢查，及時發(fā)現(xiàn)隱患，實現(xiàn)對鋼絲繩芯膠帶的在線監(jiān)測，保證設備安全運轉。
一、前言
強力膠帶機由于運輸能力大，運輸距離長，所以廣泛應用于我國礦山等行業(yè)。但是由于強力膠帶機運距長、負荷大、設備老化等問題，造成皮帶接頭易損、帶身鋼絲繩斷裂，設備安全運轉存在重大隱患。如果發(fā)生事故，不但會造成重大的財產損失，而且造成更為嚴重的人員傷亡事故。
彭莊煤礦礦現(xiàn)有鋼絲繩膠帶機2部，在設備運行中發(fā)現(xiàn)膠帶接頭的完好情況是整個膠帶機安全運行的基礎，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驗，雖然在管理中要求司機在班中嚴格按規(guī)定巡檢，但難免監(jiān)測不到位，因此極不科學，很容易出現(xiàn)斷帶事故。
目前國內有鋼絲繩芯探傷儀，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光成像技術的應用研究，將檢測、成像及診斷結合起來，對重點隱患部位進行重點檢查檢修，及時排除隱患，保證設備安全運轉，為礦井的安全生產打下基礎。
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行充磁，當系統(tǒng)工作時，通過對膠帶內鋼絲繩芯磁通量的變化情況實現(xiàn)對膠帶內鋼絲繩芯的銹蝕、斷繩、接頭抽動、移位、鍍鋅層老化等工況實行高速、在線、電磁檢測。當某處損傷超標或接頭抽動超標時再啟動 X射線部分進行低速在線或定點透視，從而使用戶能更清楚、直觀地看到損傷點或接頭的透視圖像，以便采取進一步的合理修復手段，防范隱患擴大或事故發(fā)生。
2、系統(tǒng)的組成：
電磁傳感器：完成對輸送帶內鋼絲繩芯的加磁及漏磁信號的拾取與檢測；
X 光機系統(tǒng)：X光發(fā)射、接收裝置、皮帶定位裝置，完成機架內皮帶定位及其透視圖像的實時采集；
下位計算機：完成對磁信號及視頻圖像的接收、預處理、打包、發(fā)送以及電源的提供；
上位計算機：完成對信號的接收、校驗、后處理、存儲與實時顯示和報表打印。
3、系統(tǒng)的功能：
⑴完成輸送帶內鋼絲繩芯銹蝕、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完成輸送帶內鋼繩芯損傷點或接頭的 X 射線低速在線或定點透視；⑶檢測數(shù)據(jù)及掃描圖像可通過日期、接頭號、位置等選項進行查詢、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實現(xiàn)各檢測值的長時間存儲及報表打印；⑹系統(tǒng)可通過光纖遠距離傳輸并可進入用戶局域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；⑺對輸送帶進行輔助定位,并進行聲音提示。
4、系統(tǒng)的特點：
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：無傳感器調節(jié)窗口、溫度自適應、徹底免維護、免調試；⑶系統(tǒng)模塊化的多層單片機結構，使系統(tǒng)運行更快、更穩(wěn)定、更容易實現(xiàn)更新?lián)Q代；⑷面對用戶的人性化、模塊化、傻瓜型的軟件設計，使用戶無需懂太多計算機知識的人也可以輕松使用該系統(tǒng)；⑸系統(tǒng)可進入用戶的局域網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；⑹可大大降低工人的勞動強度，改善其勞動工作條件，縮短檢測時間；⑺人可以遠距離進行X光透視,免輻射。
三、設備的安裝與調試
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、要盡量遠離強磁場、不易受砸、安裝維護方便、信號傳輸距離盡量短等。
傳感器應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節(jié)為60mm+5mm，最后用螺母擰緊即可。
安裝注意事項：
⑴傳感器箱應安裝在皮帶抖動小的地方（最好安裝在機頭附近，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，應加裝彈墊,切記擰緊，防止長期震動導致螺母松動。
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縱梁上平面之間有不低于300的間距，我們對機架的固定方式及托輥架進行了改造。
原有X光機架為落地式，它要求安裝地點的底板必須與膠帶平行方可安裝，由于井下地理條件的不同及底板的起伏不平，造成機架安裝后，X光機縱向移動架與膠帶機縱梁交叉，影響機架前后移動距離。我們在與廠家技術人員研究后，提出將機架改造為吊掛式使用，具體方法如下：
⑴在機架前后兩端，加工四根等距吊架，將X光機機架整體吊掛在膠帶機縱梁上；⑵再在機架前后兩端，加工四根拉桿，將機架與膠帶機前后H架固定在一起；⑶原有膠帶機上托架為插板式，托輥上沿只比縱梁高出60，我們在不停產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，又保證了礦井生產的正常進行。
四、使用的注意事項
1、硬件設備：
⑴傳感器箱在運輸安裝時，應避免強烈的震動或碰撞；⑵操作該系統(tǒng)時，操作者必須經過計算機操作培訓,并嚴格按照該使用說明書進行操作；⑶應定期檢查傳感器箱固定螺絲是否松動；⑷每次使用本產品時，應先進行設備自檢，如果發(fā)現(xiàn)有設備損壞應及時修理或與廠家聯(lián)系⑸X光機啟動時,請勿在機架附近長時逗留。
2、軟件使用：
禁止拷貝與該系統(tǒng)無關軟件到本計算機，防止病毒侵入影響，使用 U盤或移動硬盤時先進行殺毒再使用。
禁止刪除系統(tǒng)軟件中的任何文件，防止軟件無法正常運行。
五、常見問題及解答
1、實時監(jiān)測過程中或處理數(shù)據(jù)過程中，計算機經常出現(xiàn)死機，不能正常運行：
⑴檢查計算機所在室溫是否高于35℃或低于 0℃，若是應降低或升高室溫；⑵若室溫條件滿足，故障仍未排除，請檢查計算機是否有病毒并用正版殺毒軟件進行查殺病毒。
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、計算機自檢時顯示下位機連接不上：
⑴下位機電源是否已經打開；⑵USB 轉光纖模塊是否按操作規(guī)程（先啟動工控機,待啟動完畢,再按住 USB 轉光纖模塊按鈕 3 秒）,如果不是,請按規(guī)定操作,便可正常連接下位機；⑶光纖是否折斷(用激光筆從一側照光纖,另一側可見到光,即為完好)，若折斷則需更換；⑷下位機通訊板損壞，需更換；⑸USB轉光纖模塊損壞,需更換。
六、結語
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，并針對膠帶的重點隱患部位進行重點檢查，及時發(fā)現(xiàn)隱患，實現(xiàn)對鋼絲繩芯膠帶的在線監(jiān)測，保證設備安全運轉，為礦井的安全生產奠定了基礎。
