无线传感器与煤矿安全论文

一、煤矿安全监控系统介绍

煤矿安全监控系统应该是一个功能完善结构复杂的系统。该系统要具有对各类信号积累计量、开关量、模拟量等进行实时采集，快速传递，完整保存，及时处理，清晰显示，声光报警，控制等功能。系统可以对现场的一氧化碳，甲烷等气体的浓度，井下的湿度，温度，风速以及矿井内有无粉尘和烟雾进行实时监控。对于矿井下的各类设备可以进行远程遥控，比如打开或关闭主通风机，开启或关闭风门。为了监控甲烷浓度，一氧化碳浓度，风速，累计产煤量，温度，烟雾，馈电状态，油门状态，风筒状态，局部通风机打开和关闭，所以系统较为复杂，组成部分也比较多。系统包括主机、I/O接口电路、分站、无线传感器、报警器、电缆、接线柜、电源箱等设备。无线传感器网络的基本组成单位是数量众多的移动或静止的传感器。传感器是以多跳及自自组织的形式来构建监控网络的。它的功能是对网络覆盖区域内的监控对象进行信息的测量、采集、传送、处理，并报告给用户。用户接受到的数据其实是先由现场的传感器探测到，数据汇合到汇聚节点后在通过网络发送过来的。无线传感器网络的英文是WirelessSensorNetwork，简称WSN。系统中使用了三大基础技术，首先利用传感器技术采集数据，然后利用通信技术传输信息，最后利用计算机技术进行处理。煤炭监控管理系统，无线数据传输平台和地面中心站这三个部分构成了煤矿无线安全监控网络系统。

（1）煤炭监控管理系统：包括用户使用的操作界面，网络通讯的服务器以及实时数据库的服务器。

（2）无线数据传输平台：平台使用的是像CDMA网络这样的无线公网。

（3）地面中心站：包括监控主机、I/O接口、UPS电源、CDMA无线路由器、打印机、配套的监控软件、分站、温度传感器、风速传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、瓦斯传感器、设备开停传感器、远动开关等等各类设备组成。

二、网络节点结构

WSN技术具有非常良好的应用相关性，其应用相关性的优越性很好即使是利用平台构建的系统也无法企及。一个性能完善的无线传感器网络一般都要涉及多个不同学科，例如拓扑控制，网络协议和安全，数据融合等。在应用WSN技术的希望达到使用小能量即可使系统长期稳定地工作，所以WSN技术应用的重要目标就是能效比要高。下面用一个图形来反映WSN节点的构造。

三、网络协议栈

无线网络要想构建的好那么先决条件就是网络协议建立的是否合理。五协议，三平台架构比较得合理，所以五层协议被九成的无线网络使用。五层协议包括：

(1)提供无线信号收发和信号转换的物理层。

(2)支持媒体实时访问，数据成帧及帧检测的数据链路层。

(3)负责路由器相关工作的网络层。

(4)负责各类信息快速流通的传输层。

(5)为保障硬件系统正常工作而提供软件支撑的应用层。三平台是：

(1)进行能源配置的能源管理平台。

(2)负责传感器运行的移动管理平台。

(3)进行煤矿各项工作任务协调的任务管理平台。

四、ZigBee介绍

ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。依据这个协议规定的是一种适用于无线网络的通信技术，这种技术适用于较短的距离，功率消耗低是它的一个突出的优点。ZigBee网络拓扑结构，拓扑结构（NetworkTopology）即网络中各处的连接策略，拓扑结构的形式有很多种。一个ZigBee网络是由协调器，路由器和终端设备等三类设备组织而成的。一个ZigBee网络可以最多使用的网络拓扑形式很多，主要以树形，环形，星形，网状为主，网络上的节点数根据现场的实际情况制定少则几十个多则可达65536个。灵活的保证，无线网络可靠性的大大提高主要依靠网络的自恢复能力，网络中数据传输的可靠性也随着数据路由的自由灵活组合而大幅度增强。这些特点使得它非常适合于对可靠性要求高的无线网络。一个ZigBee网络可以包括多个路由器和终端设备，而协调器只需要一个就够了。无线网络的建立、维护由协调器来负责，而路由器的作用是把最佳的路由器为数据选择出来。标准的7层开放式系统互联（OSI）模型是ZigBee协议栈体系结构的基础，但不需要对每层都进行定义，定义的只是针对那些要涉及到的ZigBee层。实际应用中七层中仅有物理层（PHY）和介质接入控制层（MAC）两层涉及其中，所以在设计时IEEE802.15.42003标准只定义了处于底部的这两层。ZigBee联盟已经设计出网络层和应用层（API）这两层的框架，无需再另外设计。其中，应用层的框架结构包括了ZigBee设备对象（ZDO），应用支持子层（APS）和制造商开发的应用程序对象三个部分。体系结构如图3所示：ZigBee的功能造成它使用上针对性较强，它可以使用在包括工业，农业以及建筑等自动化网的建设中。由于ZigBee中传感器可以对数据实时采集和监控，利用这个特点那么电力行业，矿山行业和物流行业等都可以成为ZigBee技术的用武之地。对所建网络范围内的各个区域内的移动目标可以进行良好定位是ZigBee技术的又一个特色，所以ZigBee技术在遥测方面也大放异彩。

将无线传感器网络技术应用到煤矿的安全监控系统中，可以实现传感器节点的网络组建，传感器数据的采集和传递。由于Zigbee技术成本很低，低复杂度，低功耗和自组网的特点，使得这个技术可以在煤矿安监中广泛应用。

作者:朱珠单位:江西省冶金技师学院