无线传感器网络在煤矿井下监测监控系统中的应用
马磊
摘要：文章针对现有煤矿井下监测系统采用有线数据传输，通信速率低、灵活性和可靠性较差。提出一种基于无线传感器技术的监测监控系统。系统通过对矿井的无线信道进行建模，采用合适的无线通信调制、编码技术，选择合适的通信频率，优化无线系统的参数配置，提高系统的通信速率，从而提高系统的实时性，为进一步功能模块的追加提供坚实的平台基础。该系统克服了传统监测精度差、功耗大的缺点、保证了网络的可靠性，具有良好的应用前景。
关键词：ZigBee；无线传感器网络；监测监控系统
井工煤矿采煤和掘进过程中，需要对巷道或煤层进行探测，由于未知巷道和煤层无法预测，采空区巷道随时可能塌陷，而且有可能继续掘进巷道，对于现有的煤矿工业总线而言，其扩展性、灵活性和延续性存在诸多缺陷和不足，会造成原材料的浪费，造成生产成本增加；同时监测监控电缆铺设数量大速度慢，容易在建设初期形成安全监测上的盲点和隐患。另外由于采掘工作面处在不断移动的状态，有线传输的方式较难适应这种不断移动和推进的工作环境，各种因素造成监测传输缆线损坏和扯断的情况时有发生。有线传感器在煤矿井下多变恶劣的生产环境中，容易被破坏和损毁，比如一块矸石就会把工作面的传感器损坏。而无线传感器则能够避免井下传感器测点损坏和失灵的问题。此外，煤矿工作面采空区的数据监测不可能通过有线进行传输。
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。无线传感器网络的概念一经提出就在学术界和工业界得到积极的响应。最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是21世纪面临的发展机遇。美国《技术评论》杂志论述无线传感器网络为第一项未来新兴技术。美国《商业周刊》未来技术专版，论述4大新技术时，无线传感器网络也列人其中。显然，国外对无线传感器网络的期望是很高的。事实上，WSN在军事，精准农业，环境监测，智能交通等领域都取得了相当的成就。
德国的采矿工人在井下作业时，会携带“气体检测报警仪”，一旦有害气体超限或氧气低于下限，仪器就会自动报警并给监测中心回传信息。国内的各别研究将无线传感器网络应用于煤矿井下监测监控和井下救灾。通过无线传感网络对每个矿工进行实时定位和状态监测，可以实现与各种灾害预警系统的联动，达到及时救灾的目的。
本文针对煤矿现有监测监控系统运行过程中存在的不足和缺点，并结合煤矿井下实际生产环境条件的要求，提出了基于无线传感器技术的无线监测监控系统。
1.无线传感器网络系统组成
根据矿井现有生产装备条件和安全监测监控系统的要求，该系统的网络体系结构如图1所示。
该系统将无线传感器网络中的Zigbee技术为通信平台作为切入点，以无线传感器终端为细胞组成整个无线传感器网络，主要用于煤矿井下气体和设备运行环境的安全数据监测，以信息融合和节点协作技术实现信息的整合与处理，以无线传输技术实现各区域的状态监测，以信息纠错技术与信号检测技术保证信息的可靠传输与可靠接收，以先进的信息处理与显示技术对检测信息进行监测与监控。
该系统主要由传感器节点、无线网络、GPRS无线网络和监测监控数据中心构成。无线传感器网络主要是对矿井气体环境及设备运行状态实时数据的监测，采用IEEE802.15.4（zigBee）协议，将采集到的实时数据利用无线网络的方式，经过无线、自组织、多跳的方式发送，最终采集到监测监控数据分站。
无线传感器节点完成煤矿井下的安全参数监测，这些监测指标有矿井的瓦斯浓度、温度、氧气浓度等数据；运行中先由监控主机发送查询的请求命令，通过无线网络传输到各监测分站上。分站根据请求命令的具体要求，选择所要查询的传感器节点。和分站连接的无线传感器节点及时采集检测的数据并转发给所属分站，再由分站将信息传送到无线传输网，再传输给监测控制中心。控制中心完成对监测数据的接收、处理、分析、储存及显示。
2.无线传感器节点设计
无线传感器终端主要功能是对传感器终端安装的巷道、工作面和采区气体和设备运行动态监测，并通过无线传输方式，将采集到的现场环境数据传输到监测监控分站。根据矿井实际生产环境和条件，该系统无线传感器终端根据规定的数据发送周期，定时的将实时数据传输到监测监控数据采集终端。无线传感器终端主要由4部分构成：（1）数据采集模块；（2）数据处理与控制模块；（3）无线通信模块；（4）供电模块。其硬件设计框如图2所示。
2.1微处理器选择
由于无线传感器网络建设低成本、微型化、功耗较小和组网灵活的特点，系统微型处理器根据低耗能和较强的数据处理能力需要采用意法半导体（ST）公司推出的sTM32系列微控制器。该处理器耗能较低同时具备开启省电模式的功能，能够提高监测监控设备的性能，对于系统的稳定性起到良好的作用，因此适合应用于无线传感器网络的场合。
2.2电源模块选择
无线传感器网络一般布置在无人值守或是生产环境较差的巷道和采区中，而且需要根据生产接续进行移动，无线传感器节点需要采用电池供电，电源在微处理器和无线数据模块等设备的选型中，尽量采用功耗较小、设备都是本质安全型，对于系统的稳定性起到了良好的作用。
3.结语
无线传感器网络在军事、农业等领域的所取得的成绩有目共睹。其在工业检测控制领域也展现出巨大应用前景。除了提高信息传输速率和增强可靠性，无线传感器网络也从硬件上节约了成本。例如随着生产规模的扩大，环保的要求也越来越严格，因此检测点的数量也不断增加。虽然国内外实现了矿井无线信息监测系统，但技术并不成熟，因此井下无线煤矿监控系统的研究有着较大的发展空间。
