基于物联网的井下监控系统的分析与设计

戚艳军1，冀汶莉2，李强3

（1.西北政法大学信息安全管理研究所，陕西西安710063；2.西安科技大学通信工程学院，陕西西安710054；3.陕西电信信息产业公司，陕西西安710075）

摘要：感知煤矿井下的工作环境是现代化煤矿智能管理的一部分。以物联网为基础的井下监测系统结合现有骨干网，提出了井下监控系统的体系结构和功能，分析监测系统中传感器硬件设计及定位原理，在此基础上阐述井下监控系统的特点。该井下监控系统可以为管理人员提供智能化管理和决策，避免和减少煤矿事故率，为紧急救援和生产决策提供依据。

关键字：物联网；煤矿；实时监控；感知矿山

中图分类号：TN915?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0064?03

收稿日期：2015?01?06

基金项目：陕西省教育厅电子政务顶层设计，数据融合及处理子课题专项支持（2013JK1205）

煤矿安全管理一直是煤矿企业一个重要的工作组成部分，相对于其他行业而言，由于煤矿生产环境恶略，安全问题较为突出。为了有效避免煤矿安全事故的频发，需要建立有效的井下监控系统，对复杂的地质条件，包括通风、排水、压力等基础因素，井下人员定位等进行有效监控，保证煤矿生产安全进行。物联网是在互联网的基础上，利用射频标签RDID与无线传感器网络WSN等技术，构建一个覆盖世界上所有人与物的网络信息系统。将物联网技术融合入到煤矿井下作业，可实现对井下环境、生产人员的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，最终为煤矿安全生产管理决策的科学化、现代化和智能化服务。物联网作为传感器网络的一个重要的应用领域，为煤矿安全开采和重大灾害防治提供了新的思路和方法[1]。

1 系统分析

基于物联网的井下实时监测系统可以根据井下实际条件，采用有线和无线相结合的接入方式，利用井下现有的工业以太网络，将监测数据传输到主干网上。井下监测子系统包括感知矿山灾害风险，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，实现对各种灾害因素的预警预报。感知矿工周围安全环境，对环境参数进行监测，如风速、温度、压力等，实现主动式安全保障。感知矿山设备的工作健康状况，如设施开和关、设施的运行状态等，实现预知维修。同时对井下矿工位置定位，确保对矿工日常工作的监测和灾难撤离。

1.1 体系结构

井下监测系统是感知矿山的一部分，通过将井下的工作环境数据、设备人员数据、安全指标数据采用物联网的3层体系架构，分别是管理层（应用层）、网络层和感知层，如图1 所示。在图1 中，应用平台属于上层应用，包括井下环境监测子系统、灾难预警子系统、井下人员定位子系统、设备工作状况子系统、井下车辆定位子系统。管理人员可以通过监测对象指标预警图、监测对象数据变化趋势图、统计报表图表、视频联动、音频联动、报警联动等可视化应用界面，实时监测井下工作环境及工作状态。通过采集数据的综合分析，结合多种方式、多种途径的预警结果展示及通知，使得管理人员能够预知灾难，及时做出科学决策，防止重大灾难的发生，即使事故发生，管理人员也可以采取有效措施开展施救工作。网络层以地面骨干环网和井下主干环网为基础，结合井下无线传感网络。井下无线网络覆盖硐室、变电所、泵房等重要工作场所。各个监测系统通过安装在相应功能的传感器形成监测数据采集的无线传感网络，监测数据通过无线网关接入到主干网中，由主干网络完成信息的传输和数据的融合，并通过工业主干网络接口将数据或决策信息传输到应用层。

感知层是组成井下监控系统的核心和基础，由于井下地形复杂，需要监测的数据较多，同时网络覆盖面较大，且不便放置较大的电源模块；因此，采用ZigBee无线网络数据通信技术的星型拓扑结构可以较好的满足井下监测的物理条件和生产条件。在各个监测点安监装传感器、无线网关、终端采集设备等，终端设备采集的数据，通过无线传感器网络将采集到的数据通过无线网关将数据送到井下主干网上。

1.2 网络接口

井下监测系统中，管理层（应用层）、网络层和感知层之间通过网关接口完成数据传输，有井下感知层与井下网关的接口、井下网关与主干网的接口，主干网与应用层的接口。感知层与无线网关之间的接口可以根据井下无线传感网的特点，支持相关数据传送。对于WSN等无线网络，接口需要支持WSN等无线感知方式及协议；对于WiFi无线传感网，接口需要支持WiFi无线感知方式及协议；而其他的有线网络子系统，接口就需要支持煤矿有线子系统的接入。井下网关与主干网采用RJ45端口，主干网与应用层之间的接口采用工业以太主干网接口协议。

2 系统设计

2.1 系统架构

井下监控系统包括井下环境监测子系统、灾难预警子系统、井下定位子系统、设备工作状况子系统等。各个子系统通过三级网络传输，将监测数据融入到井下监控数据库中，子系统按照要求和规则，为用户提供相关信息。环境监测子系统用于采集和分析井下环境参数，如风速、温度、压力等，可以根据实际情况，根据节点的工作范围，将传感节点安装在环境监测点。灾难预警子系统采集井下安全工作数据，如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等，对煤矿灾难数据的变化进行监控。井下定位子系统可以通过安装在定位节点（人员、车辆）上的定位模块，该模块记录需要定位的基本信息以及ID编号，通过他们周围的无线网络，计算自身定位数据并最终传输到上层服务器。以GIS为信息载体框架，通过可视化界面直观展示监控物体的位置，也能够为工矿管理提供人员考勤信息。设备工作状况子系统对工作设备状态进行监控和管理，使得管理人员能够及时了解井下工作设备的状况。系统框架如图2所示。

图2中，各个无线监控子网络将监控数据通过井下骨干网、井上骨干网，将采集的数据传输到智能矿上数据平台的数据子库中。该平台对数据进行格式转换、提供数据转化的异常处理、对监测数据的任务进行控制和提供数据安全传输机制。同时，采用抽取?转换?加载（Extraction?Transformation?Loading，ETL）工具，以智能数据平台为数据源，按照监控主题，形成决策信息的数据集市，为井下监控决策数据仓库的建立提供数据支持，通过对数据仓库建立OLAP或采用OLTP对数据源进行分析，为煤矿管理人员提供科学的决策分析和灾难预警信息。

2.2 传感器节点硬件设计

上述井下监测子系统中的中心控制节点是一个性能比较强的传感器节点，它由状态检测传感器、电源模块、晶振模块、液晶显示模块、输入/输出模块和发射天线来构成。采用ZigBee星型拓扑结构，已便适用煤矿井下环境干扰比较大、数据传输量较大的场合，处理器可以采用CC2430无线模块，通过多个模块以接力传递的方式最终把监测数据送至数据终端设备。对于不同的监测指标，可以采用不同的传感器，如二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器等；对于需要确定井下位置的相关系统，在需定位物上安装CC2431无线定位模块，与周围的CC2430组成无线网络定位系统，逐级、逐层将信息返回到应用层[2]。CC2430/CC2431可以满足以Zigbee为基础的2.4 GHz ISM 波段对低成本、低功耗的要求。其电源经过稳压、电容滤波后可以形成一个比较稳定的3.3 V电压。发射天线采用一个非平衡天线连接非平衡变压器，可以获得较好的天线性能。传感器硬件结构如图3所示。

2.3 定位原理

CC2430和CC2431模块的主要区别在于CC2431内部集成了一个定位跟踪引擎，采用接收信号强度指示RSSI 值测量定位点的位置。由于已知固定节点的位置，根据盲点的发射信号强度和固定接收节点接收到的信号强度，固定节点可以通过计算信号的传输损耗确定盲点位置[3?4]。在实际应用中，无线信号传输采用简化的渐变模型（Shadowing Model）：

式中：p（d）表示距离发射节点为d 时接收节点接收到的信号强度，即RSSI值；p（d0）表示距离发射节点为d0时接收节点接收到的信号功率；n 是路径损耗（Pass Loss）指数，在实际测量中得到，障碍物越多，n 值越大。

无线定位网络可以通过有效距离内的3~8 个传感节点组成，这些节点计算出某一个IP的RSSI值后，周期性地向发射节点发送包含自身IP、RSSI值、位置坐标的数据包并送入定位跟踪引擎，当接收到同一个IP 发射的数据包到达某一规定值后，校正RSSI 值，得到某一节点接收到该发射点最终的RSSI值。计算式（1）中的d 值，得到发射节点的距离，最后根据数据包的静态节点位置坐标，计算发射点坐标值，得到该定位点的位置。

3 系统特点

基于物联网的井下监测系统利用现有的主干网络，将无线网络技术与之融合，能够有效的提高井下生产过程，提高煤矿企业自动化生产水平，利用物联网技术感知矿山状态和井下人员，进一步提高煤矿管理的现代化和智能化。该监测系统有以下特点：

（1）采用ZigBee 星型拓扑结构适用于环境干扰比较大、数据传输量较大的井下开采。无线网路完全覆盖到井下，井下没有网络盲点，无线节点的间距大约在100 m，同时保证相邻的节点在视线范围内。在排水管、通风管等金属管道处、拐角处、分岔路口等要增加节点，保证整个井下无线网络传输质量。

（2）提高了灾难预警水平。对井下环境、灾难数据进行实施监控，在应用层形成环境分析图表，当井下环境达到灾难临界值时，发出预警信息，提高决策者对灾难发生时的应急处理及分析决策能力，大大提高了煤矿安全生产水平，减少灾难事故的发生和人员伤亡。

（3）定位系统不但能够对井下人员实施定位，同时也可以对井下人员进行考勤，提高工作效率；还可以监控井下车辆运转情况；对于突发灾难，可以及时了解人员位置，实施有效救援；整体提高和优化煤矿企业的安全生产水平和现代化管理水平。

（4）系统应用层软件及管理软件采用人机交互界面，支持煤矿生产设施的远程监护和远程维护，从而确保井下生产安全可靠运行。

（5）将采集的数据集成到各个子系统业务库中，可以为智能矿山数据仓库提供数据源，进一步的煤矿智能决策支持系统的决策数据仓库的决策数据层。

4 结语

以物联网为基础的井下监控系统的设计，涵盖了井下生产、安全和管理的各个方面。采用现有主干网络结合通信技术、自动控制技术、网络技术、现代管理方法，为井下作业的人员安全、生产过程、运行管理提供了现代化的智能管理方法。为煤矿企业的安全平稳运行、生产效率提高、管理水平的改进提供了现实基础，增加煤矿企业的核心竞争力。该系统架构及数据采集方案已经成功运用到煤矿智能决策支持系统的前期建设中，实践证明，该方案切实可行，可避免系统后期的重复建设。

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参考文献

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作者简介：戚艳军（1974—），女，陕西西安人，硕士。主要研究方向为信息安全、大数据处理。