無線傳感器與煤礦安全論文

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一、煤礦安全監控系統介紹

煤礦安全監控系統應該是一個功能完善結構復雜的系統。該系統要具有對各類信號積累計量、開關量、模擬量等進行實時采集，快速傳遞，完整保存，及時處理，清晰顯示，聲光報警，控制等功能。系統可以對現場的一氧化碳，甲烷等氣體的濃度，井下的濕度，溫度，風速以及礦井內有無粉塵和煙霧進行實時監控。對于礦井下的各類設備可以進行遠程遙控，比如打開或關閉主通風機，開啟或關閉風門。為了監控甲烷濃度，一氧化碳濃度，風速，累計產煤量，溫度，煙霧，饋電狀態，油門狀態，風筒狀態，局部通風機打開和關閉，所以系統較為復雜，組成部分也比較多。系統包括主機、I/O接口電路、分站、無線傳感器、報警器、電纜、接線柜、電源箱等設備。無線傳感器網絡的基本組成單位是數量眾多的移動或靜止的傳感器。傳感器是以多跳及自自組織的形式來構建監控網絡的。它的功能是對網絡覆蓋區域內的監控對象進行信息的測量、采集、傳送、處理，并報告給用戶。用戶接受到的數據其實是先由現場的傳感器探測到，數據匯合到匯聚節點后在通過網絡發送過來的。無線傳感器網絡的英文是WirelessSensorNetwork，簡稱WSN。系統中使用了三大基礎技術，首先利用傳感器技術采集數據，然后利用通信技術傳輸信息，最后利用計算機技術進行處理。煤炭監控管理系統，無線數據傳輸平臺和地面中心站這三個部分構成了煤礦無線安全監控網絡系統。

（1）煤炭監控管理系統：包括用戶使用的操作界面，網絡通訊的服務器以及實時數據庫的服務器。

（2）無線數據傳輸平臺：平臺使用的是像CDMA網絡這樣的無線公網。

（3）地面中心站：包括監控主機、I/O接口、UPS電源、CDMA無線路由器、打印機、配套的監控軟件、分站、溫度傳感器、風速傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器、瓦斯傳感器、設備開停傳感器、遠動開關等等各類設備組成。

二、網絡節點結構

WSN技術具有非常良好的應用相關性，其應用相關性的優越性很好即使是利用平臺構建的系統也無法企及。一個性能完善的無線傳感器網絡一般都要涉及多個不同學科，例如拓撲控制，網絡協議和安全，數據融合等。在應用WSN技術的希望達到使用小能量即可使系統長期穩定地工作，所以WSN技術應用的重要目標就是能效比要高。下面用一個圖形來反映WSN節點的構造。

三、網絡協議棧

無線網絡要想構建的好那么先決條件就是網絡協議建立的是否合理。五協議，三平臺架構比較得合理，所以五層協議被九成的無線網絡使用。五層協議包括：

(1)提供無線信號收發和信號轉換的物理層。

(2)支持媒體實時訪問，數據成幀及幀檢測的數據鏈路層。

(3)負責路由器相關工作的網絡層。

(4)負責各類信息快速流通的傳輸層。

(5)為保障硬件系統正常工作而提供軟件支撐的應用層。三平臺是：

(1)進行能源配置的能源管理平臺。

(2)負責傳感器運行的移動管理平臺。

(3)進行煤礦各項工作任務協調的任務管理平臺。

四、ZigBee介紹

ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞。依據這個協議規定的是一種適用于無線網絡的通信技術，這種技術適用于較短的距離，功率消耗低是它的一個突出的優點。ZigBee網絡拓撲結構，拓撲結構（NetworkTopology）即網絡中各處的連接策略，拓撲結構的形式有很多種。一個ZigBee網絡是由協調器，路由器和終端設備等三類設備組織而成的。一個ZigBee網絡可以最多使用的網絡拓撲形式很多，主要以樹形，環形，星形，網狀為主，網絡上的節點數根據現場的實際情況制定少則幾十個多則可達65536個。靈活的保證，無線網絡可靠性的大大提高主要依靠網絡的自恢復能力，網絡中數據傳輸的可靠性也隨著數據路由的自由靈活組合而大幅度增強。這些特點使得它非常適合于對可靠性要求高的無線網絡。一個ZigBee網絡可以包括多個路由器和終端設備，而協調器只需要一個就夠了。無線網絡的建立、維護由協調器來負責，而路由器的作用是把最佳的路由器為數據選擇出來。標準的7層開放式系統互聯（OSI）模型是ZigBee協議棧體系結構的基礎，但不需要對每層都進行定義，定義的只是針對那些要涉及到的ZigBee層。實際應用中七層中僅有物理層（PHY）和介質接入控制層（MAC）兩層涉及其中，所以在設計時IEEE802.15.42003標準只定義了處于底部的這兩層。ZigBee聯盟已經設計出網絡層和應用層（API）這兩層的框架，無需再另外設計。其中，應用層的框架結構包括了ZigBee設備對象（ZDO），應用支持子層（APS）和制造商開發的應用程序對象三個部分。體系結構如圖3所示：ZigBee的功能造成它使用上針對性較強，它可以使用在包括工業，農業以及建筑等自動化網的建設中。由于ZigBee中傳感器可以對數據實時采集和監控，利用這個特點那么電力行業，礦山行業和物流行業等都可以成為ZigBee技術的用武之地。對所建網絡范圍內的各個區域內的移動目標可以進行良好定位是ZigBee技術的又一個特色，所以ZigBee技術在遙測方面也大放異彩。

將無線傳感器網絡技術應用到煤礦的安全監控系統中，可以實現傳感器節點的網絡組建，傳感器數據的采集和傳遞。由于Zigbee技術成本很低，低復雜度，低功耗和自組網的特點，使得這個技術可以在煤礦安監中廣泛應用。

作者:朱珠單位:江西省冶金技師學院