基于无线网络的矿井安全监控系统设计

第３０卷第６期

ｖ０１．３０

Ｎｏ．６

文章编号：１００８－０５６２（２０１１）０６—０８３７—０４

辽宁工程技术大学学报（自然科学版）

ＤＯＩ：ＣＮＫＩ：２１－１３７９／Ｎ．２０１１１２１１．２２０４．０４０

２０１１年１２月

２０１１

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉａｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｄｅｃ．

基于无线网络的矿井安全监控系统设计

高明明，杨贵洲

（辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁葫芦岛１２５１０５）

摘要：为了改善煤矿安全生产状况，在煤矿井下环境信息监控和人员定位监控的需求的基础上，采用了一种无线与有线相结合的井下通信方法，构建了一个基于以太网络和Ｚｉｇｂｅｅ无线传感器网络的矿井安全监控系统的总体架构。设计最终搭建了系统的总体架构，并设计了汇聚节点，数据采集节点和人员定位节点等主要节点。设计的矿井安全监控系统可以实时采集井下的环境参数，井上的监控微机可以接收采集到的数据，能够实时反映井下人员的位置。该系统对井下安全状况的评估具有一定的参考价值和指导意义。

关键词：煤矿；Ｚｉｇｂｅｅ；ＣＣ２４３０：ＣＣ２４３１；无线网络；数据采集；传感器节点；人员定位。中图分类号：ＴＮ

９２

文献标志码：Ａ

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引言

１

系统总体结构

矿井安全监控系统是指对煤矿的风速、瓦

煤炭工业是国民经济的重要组成部分和基础，

。

煤炭行业是生产事故多发的行业，煤炭行业的安全是中国当前重点要解决的问题，。最近几年来，由于各种因素的影响，中国煤炭行业矿难频繁发生，给国家和企业以及矿工都带来了严重的生命和经济损失。很多中小型私人煤矿，安全生产意识不够、安全生产设备落后、安全生产状况令人担忧。企业并没有建立完整的安全生产管理体系，使得事故频发，这种状况势必影响中国全面建设和谐社会的目标及保证经济的可持续健康发展的目标［１－３１。因此，本文提出基于无线网络的矿井安全监控系统设计，对改善煤矿安全生产状况有积极的指导作用。

斯、烟雾、一氧化碳、湿度、温度等环境参数和

矿井摊水、运输、生产、提升等环节的机电设备

的工作状态进行控制和监测，并用计算机处理分析并取得有效数据的智能监控系统［４‘６】。无线网络的矿井安全监控系统能够实时地采集井下的环境参数，井上的监控微机可以接收采集到的数据，能够实时反映井下人员的位置，并用于井下安全状况的评估【７。８Ｊ。

本系统总体结构划分为４个层面设计，见图１。在系统中的最上层是井上监控计算机，它能够实时的显示井下被监测区域的环境参数，应用于人

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网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２１．１３７９．Ｎ．２０１１１２１１．２２０４．０４０．ｈｔｍｌ

基金项目：中国煤炭工业协会２０１１年度科学技术研究指导性计划资助项目（ＭＴＫＪ２０１１．３３９）

作者简介：高明明（１９８０一），女，内蒙古平庄人，硕士，讲师，主要从事无线通信，射频通信等方向研究。本文编校：朱艳华

万方数据

８３８

辽宁工程技术大学学报（自然科学版）

第３０卷

员进出井的考勤管理。监控微机内置具有井下地形地貌特征的软件，可以很好地记录井下工作人员的行进路径和活动范围，并将这些有用的信息保存到系统的数据库中，便于对发生事故的分析，大大提

高了系统对煤矿灾难的预警能力。地面监控计算机机可通过以太网络与下层的汇聚节点通信。以便解决微机监控室与矿井的距离可能比较远的问题。

图１

Ｆｉｇ．１

煤矿井下安全监控系统的总体结构图

ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

位于系统第２层的为交换机，光缆通过ＲＪ４５接口使光收发器和交换机相连。

位于系统第３层的是无线传感器网络的汇聚节点，它具有启动和配置网络的能力，并通过路由节点扩展无线网络。汇聚节点作为网络的协调者除了通过射频收发器与该网络的其他Ｚｉｇｂｅｅ节点进行通信的同时，还能将收集到的信息通过光线串口转?换器传到光缆，并最终到达上位机。每个汇聚节点可设置一个固定ＩＰ地址，地面监控主机通过工业以太网接收汇聚节点传过来的数据，从而实现通过ＩＰ网络实时监测矿井安全信息。

系统的最底层由数量相对较多的无线传感器节点组成。通过外接不同的环境信号采集传感器，来对井下环境中的瓦斯体积分数和温湿度等进行采集。无线传感器节点主要用于环境监测，是数据采集传感器节点。它可以实行环境数据参数检测功能，还可以把节点放在固定位置上，对井下人员的定位和身份识别起到辅助的作用。这类节点构成井下无线网络的主干并且一般被设置为Ｚｉｇｂｅｅ网络中的全功能设备。另一种节点目前主要的功能是对人员的定位。这类节点一般被设置为网络的精简功能设备，结构简单，降低了网络维护

的开销睁１０ｌ。

２无线传感器网络结构的功能设计

２．１汇聚节点的硬件设计

汇聚节点使用全功能的Ｚｉｇｂｅｅ设备，即ＦＦＤ，其硬件电路图见图２。

汇聚节点模块选择为ＣＣ２４３０，在网络中充当

协调器。

实现功能如下：

（１）建立网络、无线收发；（２）利用串口和计算机通信：（３）计算校验：

（４）转发计算机数据配置参考节点、定位节

点：

（５）转发计算机数据请求配置参考节点、定

位节点；

（６）转发计算机数据请求配置定位节点坐标。２．２数据采集节点的硬件设计

由于ＣＣ２４３０高度集成化，使得采用ＣＣ２４３０设计开发大为简化。只需要在ＣＣ２４３０节点电路的基础上增加ＳＨＴ７５温湿度传感器和ＭＪＣ４／３．０Ｌ瓦

万方数据

第６期高明明，等：基于无线网络的矿井安全监控系统设计８３９斯传感器的串行接口即可。由于上述两个传感器均线网络。系统在运行过程中，如果发现丢失网络连支持３．３Ｖ供电，因此可以利用ＣＣ２４３０Ｉ／０口与传接，则通过ａｐｌＲｅｊｏｉｎＮｅｔｗｏｒｋ（）函数重新加入网络。感器的串行总线直接相连，无须考虑电平转换。利数据采集节点的主要功能是完成对周围环境用ＣＣ２４３０Ｐ０．６和Ｐ０．７分别连接ＳＨＴ７５的ＳＣＫ和中的温湿度和瓦斯体积分数进行检测。数据采集节ＤＡＴＡ，同时Ｐ０．０和Ｐ０．１分别与ＭＪＣ４／３．０Ｌ相连接，点还作为信标节点由于位置固定，用于人员定位节见图３。点提供定位信息。当监测节点接收到来自邻近的人

数据采集模块首先供电后，系统开始完成初始员定位节点发出的定位请求时，并通过化过程，然后系统调用ａｐｌＪｏｉｎＮｅｔｗｏｒｋｏｉ函数加入无ＳｅｎｄＬｏｃＡｃｋ（）ｉ函数发出定位响应。

图２汇聚节点的硬件电路设计

Ｆｉｇ．２ｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｇａｔｈｅｒｉｎｇｎｏｄｅ

图３数据采集传感器节点的电路设计

Ｆｉｇ．３ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ

万方数据

８４０辽宁工程技术大学学报（自然科学版）第３０卷２．３人员定位传感器节点的硬件设计

节点间通信使用的是ＣＣ２４３０和ＣＣ２４３１内部集成的兼容２．４ＧＨｚＩＥＥＥ８０２．１５．４的无线收发芯片。本系统设计的人员定位传感器节点模块的原理图见图４，人员定位软件的工作流程见图５。

图４人员定位传感器节点电路

ｏｎｉｎｇｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｃｉｒｃｕｉｔ

采集井下温湿度和瓦斯体积分数的数据采集传感器节点，人员定位传感器模块节点等模块。本系统的设计对改善煤矿安全状态将具有积极的意义。参考文献：

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图５人员定位软件的工作流程

Ｆｉｇ．５ｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅ【９】赵聪．矿山井下人员定位及管理软件系统的研究与开发【Ｄ】．长沙：湖南大学研究生院，２００９．

［１０】魏煜欣．矿山井下人员定位系统中无线通信技术研究与开发［Ｄ】．长３结论

本文提出了基于无线传感器网络的人员定位系统和矿井环境安全监控的设计方案。设计了能够沙：湖南大学研究生院，２００８万方数据

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基于无线网络的矿井安全监控系统设计

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被引用次数：高明明， 杨贵洲， GAO Mingming， YANG Guizhou辽宁工程技术大学电子与信息工程学院,辽宁 葫芦岛,125105辽宁工程技术大学学报（自然科学版）Journal of Liaoning Technical University(Natural Science Edition)2011,30(6)6次

1.张洁颖 基于Zigbee网络的定位跟踪研究与实现[学位论文] 2007

2.田洪现;杨维 基于无线局域网的矿山井下定位技术研究[期刊论文]-煤炭科学技术 2008(05)

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4.缪仕福 基于CC2431的无线传感器网咯节点的研制 2007

5.夏恒星 基于无线传感器网络的矿井安全监测系统的研究与实现[学位论文] 2007

6.杨春 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计[学位论文] 2008

7.曹亮 基于多源信息融合的煤矿安全无线监测系统研究 2008

8.陶康 长距离射频身份识别装置设计 2009

9.赵聪 矿山井下人员定位及管理软件系统的研究与开发[学位论文] 2009

10.魏煜欣 矿山井下人员定位系统中无线通信技术研究与开发[学位论文] 2008

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引用本文格式：高明明.杨贵洲.GAO Mingming.YANG Guizhou 基于无线网络的矿井安全监控系统设计[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2011(6)