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1、第 2 8卷 第 2期 2 0 1 0年 3月 北京工 商大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f B e i j i n g T e c h n o l o g y a n d B u s i n e s s U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V0 1 2 8 No 2 Ma r 2 01 0 4 7 文章编号：1 6 7 1 1 5 1 3(2 0 1 0)0 2-0 0 4 7-03 一种基 于无线传感器 网络的煤矿 安全监控 系统 宋楠楠，陈 岩(北京工商大学 计算机与信息工程学院
2、，北京1 0 0 0 4 8)摘 要：提 出了一种基 于无 线传 感器 网络 的 煤矿 安 全监 控 系统，该 系统 不仅 可 以监 测煤 矿 井下 各 种环境情况，还可以采集矿工生命体征信息，并且还带有 自主呼救功能，比现有的煤矿安全监控更 具 可靠性 和安 全性 关键 词：煤矿；安 全监控；无线 传感 器 网络；节点；自主呼救 中图分类号：T P 2 7 4 2 文献 标 志码：A 1 煤矿安全监控系统发展现状 国外 煤矿监 控技 术是 2 0世 纪 6 0年代开 始 发展 起来的，至今已有四代产品，基本 5 1 0年更新一代 产品，国内也先后研制开发出了一批具有世界先进 水平的煤矿安全综
3、合化和数字化 网络监 测管理系 统 现有 的煤矿 安全监 控 系统虽然 达 到基本 可用 的 水平，但是也存在不足和一些问题，主要包括以下几 方面1)采用有线网络，不仅成本高，而且 安装和运 行困难；2)功能只限于环境参数的检测和控制，不 能获取井下作业人员的考勤情况和身体状况；3)只 能测量固定地方 的环境参数，有测量盲 区；4)传感 器位 置相 对 固定，无 法 检 测 目标 位 置 移 动 的参 数；5)通信协议不完 善，各 厂家 的接 口不 能很好地兼 容 因此，有 线 网络较难 达 到动态 全方位 监测，需要 采 用先 进技术 进行 网络 改造 2煤矿安全监控 系统 本文针对现有煤矿
4、安全监 控系统的问题，并结 合煤矿安全生产企业 的技术要求和安全标准，提出 了一种基于无线传感 器网络的煤 矿安全监控系统 该系统结合了现代通信技术、计算机技术、网络技术 的优势，以一 种灵 活、方 便 的无 线 通 信 方 式，对煤 矿 井下 的环 境进行 实 时监 测 与现 有 煤矿 安 全监 控 系 统相 比，本 设计 的监 控 系统具 有 以下优 势 1)采用无线传感器网络，以无线 的方式将传感 器采 集 到 的数 据发 送 到 井 口，运行 和 维 护起 来 都 很 简 易、方 便 2)根据矿井巷 道的实际情况 和对矿井环境参 数监测的具体需求，无线传感器 网络可以采用人工 的方 式
5、进行 灵 活的配 置 3)本系统不仅可 以采集环境参数，还可 以采集 矿工生命体征信息 4)在危险情况下，矿工可 以启动节点 的呼救功 能 系统 进行求 救 下面给出煤矿监控系统的具体方案 2 1 监控 系统 总体 架构 如 图 l，整个 安全监 控 系统 由两 个 子 系统，井 下 环境检测及数据采集子系统和井上集中智能化信息 管理子系统组成井上集 中智能化信息管理子系统 不 是本 文研 究 的重 点，所 以下 文 主 要介 绍 井 下 环境 检测及数据采集子系统 井 下 子 系 统 主 要 由 R F D(r e d u c e d f u n c t i o n d e v i c e)
6、传感器节点(矿工佩戴 的终端便携式节点)、F F D(f u l l f u n c t i o n d e v i c e)节点(网关设 备，矿井 巷 道 内的固定节点)以及主协调器设备组成针对井下 环境的实际状况，R F D主要负责矿工生理特征参数 的采集，并通过无线通信的方式将数据发送到 F F D 收稿 日期：2 0 0 90 9 2 0 作者简介：宋楠楠(1 9 8 4 一)，女，辽 宁铁岭人，硕士研究生，研究 方向为无线传感器网络在煤矿中的应用；陈岩(1 9 6 3 一)，女，甘肃兰州人，副教授，博士，主要从事嵌入式系统开发及无线传感器 网络方面的研究 4 8 北京工商大学学报(自
7、然科学版)2 0 l O年 3月 图 1安 全 监 控 系 统不 恿 Fi g 1 S a f e t y mo n i t o r i n g s y s t e m i n di c a t i o n F F D由具备路 由功能的节点组成，及时收集环境参 数，并及时将 收集 到的各种数 据上传到管理 中心 井 下 系统 主要 由无 线 网络 将设 备 连 接 起来，实 现 可 靠通信 井上 网络 与井下 网络通 过传输 接 口装置实 现 电 气上的隔离，绝对保证 了井下设备的电气安全 2 2 系统 中节点 的硬 件设计 本系统中的节点由 F F D和 R F D两部分构成 R F D结构
8、图如图2，R F D由生命体征传感器(采 集矿工生命体征信息)、微控制器模块、无线通信模 块、报警模块 和 呼救系 统 以及 能量 管理模块 组成 在 R F D的硬件设计中，加入 了其他传感器节点 所没有的呼救系统，在危险情况下，矿工可以使用节 点的呼救系统进行求救另外，R F D节点采集 的是 矿工 生命体 征 信 息，如体 温上 述 两 个 功能 是 其 他 无线传感器节点无法实现的 图 2 R F D节 点 设 计 原 理 Fi g 2 RF D no de d e s i g n s c h e ma t i c F F D结构如图 3，F F D由温湿度和瓦斯传感器、微控制器模块、
9、无线通信模块、报警模块、R S 2 3 2接 口电路和多功能板以及能量管理模块组成 在 F F D 的 硬 件 设 计 中，加 入 了 多 功 能 板 和 R S 2 3 2接 口电路 多 功能板 上 载有 氧 气、风速、一 氧 化碳 和二氧 化碳等 多种 传感 器，可在 多 种 任务 问进 行选择和切换，用来 满足不 同的任务需求在设计 中加入 R S 2 3 2接 口电路 是为 了方便 F F D与 P C机 之 间的通信 R S 2 3 2 接口电路 l I 报警模块 l I 多功能板 竺竺 微 器 H无 篌 瓦 斯 传 感 器 卜_ _ J L 一 能量管理模块(双电源供 电)图 3
10、F F D节 点 1 殳计 原 理 Fi g 3 FFD n o d e d es i g n s c h e ma t i c 无线传感器网络在应用中存在的最大问题就是 能量 问题，一旦 节点 中的电池 电量 耗尽，节点 就将退 出无线传感器网络，给工作带来 巨大的不便为此，R F D和 F F D两种 节点 均采用 低功 耗 芯片，尽量 减少 能量 的 消耗 由于 F F D 是 固定 在 巷 道 内 的，所 以 F F D设计 中采 用双 电源供 电附近有 电缆 的 F F D可 以使 用 固定 电源供 电，当切 断 固定 电源时，F F D 自动 切 换为 电池供 电 2 3 节点 的
11、软件 设计 2 3 1 节点的操 作 系统 T i n y O S是面向传感器网络的操作系统，它采用 高效的基于事件的执行方式，使用组件模型以实现 高效率的模块化、构造组件 型应用软件支持多跳 通信的传感器应用程序的组件结构 如图4 应用程序 消息 消息包 字节 比特 图 4应 用 程 序 的 组 建 结 构 Fi g 4 S t r u c t ur e o f t he a p p l i c a t i o n p r o g r a m 该系统 中传感器节点采用 T i n y O S 将 T i n y O S 移植 到以 m e g a l 6为控制 核 心的硬 件平 台 2 3
12、2 系统 中无 线传感 器 网络 的拓扑 结构 矿井环境监测最基本 的要求是及时有效地传递 信息，发布预警消息，保证井下安全为此，本设计 开发的系统中无线传感器网络采用网状拓扑结构 完 全 的网状拓 扑 控制 要 消耗 传 感 器 节点 较 多 能量，为了在 满足 网络连 通的前 提下，尽 可 能地节 约能量，第 2 8 卷 第 2期 宋楠楠等：一种基 于无线传感器 网络 的煤矿安全监控系统 4 9 在矿 井 的每个工 作 面部署 的大量 节点 中选取 少数 节 点作 为骨 干 网节 点，打开其 通信模 块，关闭其 数据 采 集模块，由骨干节点建立一个通信 网络，非骨干节点 的通信模块负责数据
13、的路由转发这样既保证 了原 有覆 盖，也 在很 大 范 围 内节 约 了能 量 网络 范 围 内 的数据通信拓扑结构如图 5 点 点 图 5 l碉络拓 扑 结 构 Fi g 5 Ne t wo r k t o po l o g y 骨 干 节点 需 要 调节 非 骨干 节 点 的工 作，负 责数 据 的融 合和转 发，能 量 消耗 非 常 大 通 常 由网络 自 身周期 性地监 测各 节 点 的 能量 状 态，并 自动更 换 骨 干节点来 均衡 网络 中各节 点 的能 量 消耗 选 取所 有 节点中能量大于某一设定值的少数几个节点作为骨 干节点，其余节点选取离 自己距离最近的骨干节点 作 为
14、自己的控制 节点 2 3 3节点定位 在定 位过程 中，要考 虑 以下 4个 关 键 技术 1)网络 间 的区分：可 以由网络 I D和频 段来 区分 2)节 点 的标 识：每个 节点 具 有 6 4位 的永 久 地 址，可 以将 其作为 唯一 标识 3)定 位 判别：由于 移 动 节点 R F D 可 由一 个 网络进入 另 一 个 网 络，由具 有 路 由功 能 的 F F D节 点 决 定 其 所 在 网 格 可 以 在 F F D 接 收 到 R F D的通信协议包 中设置信号参数，根据参数值 的 大小、信 号 的强弱确 定工 作人员 的具 体位 置 基 于上述 3个关 键技 术，在
15、系统 工作 时，需要 井 下 人员佩 带 R F D节 点，该 节 点 定 时 发 出通 信 协 议 包，该数据包为一种握手信息，并 由置于井下巷道的 最 近的 F F D节点接 收，根据通 信 协议 包 中设置 的信 号参数的强度判断其位置F F D根据表驱动路 由算 法选择最优的通信路径，通过其他 的 F F D以多跳通 信 的方式 或直接 把数据 包 以有线 的方式 实 时地传 输 到地面控制 中心，从而实现集 中控制管理，达到实时 判知 人员位 置 的 目的 2 3 4路 由 协 议 路 由协议是 通 过一定 的路 由选择 算法 进行路 由 选择，为 R F D和 F F D动 态选
16、择 父 节 点，从 而为 消 息 传递 提供 一个 稳 定 的线 路在 环 境 监 测 中，需 要定 期实时准确地传输监测到的数据，而节点由于有限 的能 量 和工作环 境 的恶劣 存 在 失效 问题，路 由协议 要保证即使部分节点失效，整个系统也能正常工作 目前，基于位置信息的无线传感器网路的协议 主要有 G P S R 、G A F 、G E A R。等 本设 计 的系统 采用的路由协议在综合这几个路由协议的基础上进 行改进，以适合煤矿井下环境监控网络的需求，采用 基于位置信息和网络梯度的贪婪路由算法位置信 息 由上述的节点定位算法获得，网络梯度是以信息 源 节点 到 s i n k节点 的
17、跳数 来度 量 的网络 中节点 的 网络梯度越小，其优先级越高，节点向周围邻居节点 中网络梯 度最小(即优 先 级最 高)的节 点发 送数 据，当遇到相同梯度等级的节点时，综合其中位置信 息 和节点剩余能量等情况来决定向哪一个节点发送数 据，最终数据传递到 s i n k节点，并送到地面监控 中 心，实 现 以数 据 为 中心 的 网络路 由协议 3 结 论 本 文将无 线传感 器 网络技 术应用 于煤 矿安全 监 控，提出了一种基于无线传感器网络 的煤矿安全监 控 系统 该 安全监 控 系统一 方面 可 以实 时监 控现 场 的环境情况，另一方面还可 以实时采集矿工生命体 征信息另外，系统
18、中的传感器节 点还具有呼救功 能，在危险情况下，矿工可以使用节点的呼救功能进 行求 救，从 而 提高 了煤 矿安 全监 控系统 的安 全性 能 因此，本 文提 出的煤 矿 安 全 监控 系 统 非 常适 合 于 我 国煤矿的安全监控需求 参 考 文 献：1 陈永锋，谢 小 明矿 山 安全 生 产 监 测 系统 模 型 研 究 J 金属矿 山，2 0 0 6(2)：6 9 7 1 2 孙 利 民，李建 中，陈 渝，等无线 传感 器网络 M 北 京：清华大学出版社，2 0 0 5：1 2 1 7 3 马祖长，孙怡宁，梅涛无线传 感器 网络综述 J 通 信学报，2 0 0 4，2 5(4)：1 1
19、4 1 2 4 4 C a l l a w a y E H Wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k s：a r c h i t e c t u r e a n d p r o t o c o l s J C R C P r e s s L L C，2 0 0 4(3)：4 1 6 2 5 A k y i l d i z L F，S u W，S a n k a r a s u B Y，e t a 1 Wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s：a s u r v e y J C o m p u t e r N e
20、t w o r k s，2 0 0 2，3 8(4)：3 9 34 2 2 (下转第 5 4页)5 4 北京工商大学学 报(自然科学版)2 0 1 0年 3月 单片机与嵌 入式 系统，2 0 0 5(2)：3 7 4 2 M 北京：北京航空航天大学 出版社，2 0 0 3 7 胡大可MS P 4 3 0系列单 片机 C语言程序 设计与开发 HARDW ARE DES I GN AND REALI ZATI oN oF M I S CELLANEoUS ETHERNET S W I TCH S I M ULATI oN TEACHI NG S YS TEM YANG S u p i n g，ZH
21、ANG Yu a n f e n g (C o l l e g e o f C o m p u t e r a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g，B e ij i n g T e c h n o l o g y a n d B u s i n e s s U n i v e r s i t y，B e ij i n g 1 0 0 0 4 8，C h i n a)Ab s t r a c t：I n o r d e r t o p r o v i d e a b e t t e r t r a i n f o r I T ma j o
22、 r s t u d e n t s a n d e n h a n c e t h e i r a b i l i t y o f t h e o r y e o m b i n i n g wi t h p r a c t i c e，mo s t hi g h e r e du c a t i o n s c h o o l s a r e l o o k i n g f o r e x p e r i me n t a l e q u i p me nt s a d a p t t o t h e i r o wn l a b o r a t o ry c o n d i t i o
23、n s a n d t e a c h e r s Et h e r n e t s wi t c h p r a c t i c e t e a c hi ng i s a n i mp o r t a n t pa r t o f c o mp u t e r n e t wo r k t e a c h i n g c o u r s e，S O t he r e i s b e i n g s u c h n e e d，t o o Ai m a t me e t i n g s u c h Et he r n e t s wi t c h e s ma r k e t d e ma
24、n d i n a u n i v e r s i t y S c o mp u t e r n e t wo r k l a b o r a t o r y，i t d e s i g n e d a Mi s c e l l a n e o u s Et he r n e t S wi t c h S i mu l a t i o n Te a c h i n g S y s t e m Ba s e d o n a n o v e r a l l c o n s i de r a t i o n o f t he c u r r e n t s t a g e a n d d e v e
25、 l o p me n t t r e n d s o f Et h e r n e t s wi t c h，s y s t e m f u n c t i o n a l r e q u i r e me nt s a n d f e a s i b i l i t y，i t u s e d a t h r e e l a y e r a r c h i t e c t u r e h a r d wa r e l a y e r。d r i v e r l a y e r a n d s o f t wa r e a p p l i c a t i o n l a y e r，a n
26、d r e a l i z e d u s i n g h a r d wa r e c o n b i n e d wi t h s o f t wa r e me t h o d Th i s t h e s i s，u s i n g Re a h e k S Et h e r n e t c o n t r o l l e r RTL8 3 0 9S C a n d TI S s i n g l e c h i p MS P 43 0 F1 4 9，s u c c e s s f u l l y b u i l d s a h a r d wa r e s u p p o r t i
27、ng pl a t f o r m wi t h s t a n d a r d i n t e r f a c e，a c hi e v e t h e g o a l o f ha r d wa r e l a y e r a n d d r i v e r l a y e r I t n o t o nl y p r o v i d e s a r e a l n e t wo r k e nv i r o n me n t o f g o o d c o s t p e r f o r ma n c e for u s e r s，bu t a l s o fl e x i b l y
28、 p r o v i d e s h a r d wa r e r e l a t e d Et h e r n e t s wi t c h t e a c h i n g e x p e r i me n t s a s a r e s u l t o f i nd e p e n d e n t r e s e a r c h i n g a n d de v e l o p me n t，h a s a s t r o n g p r a c t i c a l v a l u e Ke y wo r ds：c o mp u t e r ne t wo r k；f a s t Et h
29、 e r n e t s wi t c h；t e a c h i ng s y s t e m；RTL 83 09 SC；MS P 4 3 0F1 4 9 (责任编辑：邓清燕)(上接 第 4 9页)A S YS TEM oF S AFETY M oNI ToRI NG BAS ED oN W I RELES S S ENS oR NETW oRKS UNDER CoAL M I NE S ONG Na n n a n，CHEN Ya n (C o l l e g e of C o m p u t e r S c i e n c e a n d I n f o r m a t i o n E
30、n g i n e e r i n g，B e lti n g T e c h n o l o g y a n d B u s i n e s s U n i v e r s i t y，B e ij i n g 1 0 0 0 4 8，C h i n a)A b s t r a c t：T h e p a p e r p r o p o s e s a s y s t e m o f s a f e t y m o n i t o r i n g b a s e d o n w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s(WS N)u n d e r
31、t h e c o a l mi n e T h e s y s t e m c a n n o t o n l y mo n i t o r t h e e n v i r o n me n t a l s i t u a t i o n i n u n d e r g r o u n d c o a l mi n e s，c a n c o l l e c t i n f o r ma t i o n o n mi ne r v i t a l s i g n s，a n d a l s o be p r o v i d e d wi t h s e l f-h e l p f u n c t i o n T he s y s t e m h a v e mo r e r e l i a b i l i t y a n d s e c u r i t y t h a n t h e e x i s t i n g s y s t e ms o f s a f e t y mo n i t o r i ng u n d e r t h e c o a l mi n e Ke y wo r ds：c o a l mi n e；s a f e t y mo n i t o r i n g；W S N；no d e；s e l f-h e l p (责 任 编 辑：王宽)