CN101832152A - 具有重组功能的wsn矿井安全监测系统及井下事故监测方法 - Google Patents

具有重组功能的wsn矿井安全监测系统及井下事故监测方法 Download PDF

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CN101832152A CN 201010200514 CN201010200514A CN101832152A CN 101832152 A CN101832152 A CN 101832152A CN 201010200514 CN201010200514 CN 201010200514 CN 201010200514 A CN201010200514 A CN 201010200514A CN 101832152 A CN101832152 A CN 101832152A
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Abstract

具有重组功能的WSN矿井安全监测系统及井下事故监测方法,属于采矿安全监测技术。它克服了以往有线监测系统布线复杂、不能动态跟进采掘工作面、易受破坏等问题。本发明的系统中的地面监控中心是由井下监控接入主机、数据库服务器、监控终端和远程终端组成的以太网系统;井下有线传感器网络是由多个有线传感器组成的CAN总线网络,该CAN总线网络与井下监控接入主机连接,井下无线传感器网络是由网关节点、若干个簇头节点、若干个无线传感器节点和若干个可移动节点组成,其中网关节点与井下有线传感器网络的CAN总线连接。在发生故障后,网关节点和有线传感器节点可以组成更高一级的无线通信网络保证通信的可靠性。本发明适用于现有各种矿井。

Description

具有重组功能的WSN矿井安全监测系统及井下事故监测方
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于WSN的具有重组功能的矿井井下安全监测系统及方法,涉及 到矿井井下救援辅助系统,属于采矿安全监测技术领域。
技术领域
[0002] 在此处键入技术领域描述段落。 背景技术
[0003] 中国的矿藏很丰富,但是矿井的自然条件非常复杂,开采条件也 极端多变,增加了 矿藏开采的不安全因度,容易引发重大安全事故,给安全生产造成极大的困难。以煤矿为 例,引发矿难的原因主要有瓦斯爆炸、煤尘爆炸、瓦斯突出、透水事故、矿井失火、顶板塌方 等,其中煤矿企业一次死亡10人以上事故中,瓦斯事故死亡人数占71%,远高于其他事故种 类。目前正在使用的有线监测系统存在布线复杂,劳动强度高;网络结构相对固定,不适合 掘进工作面延伸的动态变化要求;监测点相对固定,容易出现监测盲区等一系列问题,使得 监测系统形同虚设,有关人员不能获取足够的信息进行有效的判断,在发生瓦斯泄漏、透水 事故等问题时不能正确处理而引起恶性事故的发生。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提出一种具有重组功能的WSN (WirelessSensorNetwork的简 称,即无线传感器网络)矿井安全监测系统及井下事故监测方法,它是基于无线传感器网络 和有线通信网络实现的,它克服以往有线监测系统布线复杂、不能动态跟进采掘工作面、成 本高、易受破坏等问题。
[0005] 本发明的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统包括地面监控中心、井下有线传 感器网络和多个井下无线传感器网络;
地面监控中心是由井下监控接入主机、数据库服务器、监控终端和远程终端组成的以 太网系统;
井下有线传感器网络是由有线供电系统和多个有线传感器组成的CAN (ControllerAreaNetwork)总线网络,多个有线传感器均连接在CAN总线上,并且井下有线 传感器网络与地面监控中心的井下监控接入主机采用CAN总线连接;
井下无线传感器网络是由网关节点、若干个簇头节点、若干个无线传感器节点和若干 个可移动节点组成的无线网络,其中网关节点和簇头节点组成上级无线通信网络,簇头节 点和其附近的普通无线传感器节点、可移动节点组成下级无线通信网络,上级无线通信网 络中的网关节点与井下有线传感器网络的CAN总线连接,网关节点把收集到的传感器数据 和移动节点信息发送至井下有线传感器网络;所述井下无线传感器网络是由网关节点、若 干个簇头节点、若干个无线传感器节点和若干个可移动节点组成的无线网络,其中网关节点和簇头节点组成上级无线通信网络,簇头节点和其附近的普通无线传感器节点、可移动 节点组成下级无线通信网络,上级无线通信网络中的网关节点与井下有线传感器网络的 CAN总线连接,网关节点把收集到的传感器数据和移动节点信息发送至井下有线传感器网 络。
[0006] 基于上述具有重组功能的WSN矿井安全监测系统的井下事故监测方法为: 井下有线传感器网络布置于矿井的主巷道中,该网络中的有线传感器采集主巷道中 的各种参数,并通过CAN总线传送至底面监控中心的井下监控接入主机,实现对主巷道中 数据的采集;
多个井下无线传感器网络分别布置于各个从巷道中,每个井下无线传感器网络中的网 关节点位于从巷道的入口处,并与主巷道中的CAN总线连接实现数据传输;每个井下无线 传感器网络中的若干个簇头节点根据所在从巷道的地形分散在该从巷道中,并使得若干个 簇头节点的无线信号接收范围覆盖该从巷道的每一个区域,若干个无线传感器节点分散布 置在该中巷道中各个需要采集数据的位置,若干个可移动节点随机分布在从巷道中,若干 个簇头节点接收其信号覆盖范围内的无线传感器节点和可移动节点发送的数据信息; 所述井下事故监测方法为:
一、网络各部件检测:
地面监控中心检测到通信异常,并根据通信异常情况指定一个或多个有线通信正常的 有线传感器节点作为重构后井下无线传感器网络的网关节点;
有线传感器节点在检测到有线通信故障后,打开无线通信功能,等待无线网络重组; 网关节点在检测到有线通信故障后,向所属的井下无线传感器网络发出事故报告,然 后等待无线网络重组;所述井下无线传感器网络中接收到事故报告的各个簇头节点、无线 传感器节点和可移动节点停止数据采集,等待无线网络重组;
二、网络重组、信息收集阶段:
指定为网关节点的有线传感器节点发出组建无线网络的信息,使得该有线传感器节点 和事故波及范围内的其它有线传感器节点、事故波及范围内网关节点自组织成为最上层无 线通信网络;
事故波及范围内、接收到事故报告的井下无线传感器网络中的各个簇头节点和无线传 感器节点执行事故后网络重构、定位,并收集其无线通信覆盖范围内的可移动节点信息;
三、数据传输:在此阶段,原有井下无线传感器网络继续收集井下信息,包括可移动节 点的位置信息,并通过网关节点将收集到的信息转发到最上层无线通信网络,然后由被指 定为该最上层无线通信网络中的网关节点将信息转发入有线通信网络,最终发送给地面监 控中心,地面监控中心处理并显示这部分信息。
[0007] 所述可移动节点8可以位于工人的头灯上,以标示每一个工人的位置信息,还可 以位于井下移动的作业工具上,以标示井下作业工具的位置信息。
[0008] 本发明所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统采用体积小、成本低廉具备 计算和通信能力的无线传感器组成井下无线传感器网络来对井下安全进行监测。且能随 着采掘工作面的推进而跟踪前进,也能在窄小巷道随意布置,较好地克服了目前井下监测 系统的各种“死区”,且由于传感器节点低廉的价格,能实现巷道的高密度覆盖,快速组网。 且在发生事故后,残留的传感器继续发挥作用的可能性要比传统的系统大得多,利用WSN自组织以及无线通信的特点,能迅速建立救灾应急通信,获取被掩埋区域信息,提高救援效率。
附图说明
[0009] 图1是本发明所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统的原理示意图;图2 是图ι所示系统布置于矿井环境下的位置示意图;图3是具体实施方式中所述的无线传感 器节点的硬件原理框图;图4为具体实施方式中所述的网关节点的硬件原理框图;图5为 具体实施方式中所述的可移动节点的硬件原理框图;图6为具体实施方式中所述的事故发 生后系统重构示意图。图7是具体实施方式中所述的在遇到事故时,地面监控中心的处理 流程;图8是具体实施方式中所述的事故发生范围内有线传感器节点的工作流程图;图9 是具体实施方式中所述的事故发生范围内网关节点的工作流程图。
具体实施方式
[0010] 具体实施方式一:本实施方式所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统包括 地面监控中心、井下有线传感器网络和多个井下无线传感器网络10 ;
地面监控中心是由井下监控接入主机3、数据库服务器2、监控终端1和远程终端5组 成的以太网系统;
井下有线传感器网络10是由有线供电系统和多个有线传感器6组成的CAN总线网络, 多个有线传感器均连接在CAN总线上,并且井下有线传感器网络与地面监控中心的井下监 控接入主机采用CAN总线连接;
井下无线传感器网络是由网关节点7、若干个簇头节点4、若干个无线传感器节点9和 若干个可移动节点8组成的无线网络,其中网关节点7和簇头节点4组成上级无线通信网 络,簇头节点4和其附近的普通无线传感器节点9、可移动节点8组成下级无线通信网络,上 级无线通信网络中的网关节点7与井下有线传感器网络的CAN总线连接,网关节点7把收 集到的传感器数据和移动节点信息发送至井下有线传感器网络。
[0011] 所述每个井下无线传感器网络中的传感器节点只与离它最近的簇头节点通信,该 网络中的所有簇头节点和网关节点组成一个多跳网络,这些节点不仅要完成传感器节点的 测量功能,还要包含信息收集、数据处理和路由服务等功能。
[0012] 本实施方式中的井上监控系统中的井下监控接入主机、监控终端使用适用于矿井 环境的工业用控制计算机,数据库服务器使用适用于矿井环境的工业用服务器,远程监测 终端根据使用环境可选择工控机或者普通PC机、笔记本电脑等。井上监视系统使用以太网 进行连接,其中远程监控终端通过互联网网关接入井上监视系统的局域网。
[0013] 本实施方式所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统的网络拓扑结构为四 层,分别为:地面监控网络;有线通信网络;网关节点和簇头节点组成的上层无线通信网 络;簇头节点、普通传感器节点和井下人员用可移动节点组成的下层无线通讯网络,四层网 络相对独立,又互相连通,有效地提高了网络结构的可靠性。
[0014] 本实施方式中的井下无线传感器网络中的下级无线通信网络中的簇头节点4,根 据其信号覆盖范围内的可移动节点8的变化情况,随时重新组建无线通信网络。
[0015] 本实施方式中所述的有线传感器6和无线传感器节点9节点配置的传感器类型可以根据矿井的实际需要选择,包括但不限于矿井内瓦斯、一氧化碳浓度、井下温湿度、风速、 压力等。
[0016] 本实施方式中的井下无线传感器网络是采用ZigBee协议组成的无线通信网络。
[0017] 本实施方式中的井下有线传感器网络中的有线传感器6包括备用电源和无线通 信模块。所述备用电源在供电故障时为有线传感器提供工作电源。所述无线通信模块在有 线通信出现故障时启动,此时,该有线传感器作为无线通信节点申请加入无线通信网络;所 述无线通信模块还在接收到监控中心发出的启动无线通信功能的命令时启动,此时该有线 传感器作为网关节点组建无线通信网络。
[0018] 本实施方式能够保证在有线通信中断后,通信系统能够继续工作,进而保证数据 传输的通畅。一方面,当有线传感器6的有线通信故障的情况下,可以启动无线通信功能, 加入其临近的无线网络中实现数据传输;另一方面,当井下无线传感器网络中的网关节点 7出现故障时,可以启动有线传感器6的无线通信模块,使所述有线传感器6实现网关节点 7的功能,和邻近从巷道中的簇头节点4组成无线网络,保证从巷道中的数据采集和传输。 本实施方式具有的通信重组能力,可以在发生事故后立即重新组建通信网络,尽量保证通 信畅通,为发生事故后的救灾提供有效可靠的信息,提高救援的效率。 [0019] 具体实施方式二 :本实施方式是对具体实施方式一所述的具有重组功能的WSN矿 井安全监测系统中的部分技术特征的举例说明。
[0020] 本实施方式中的无线传感器节点9的电气原理框图参见图3所示,它由处理器模 块92、无线通信模块93、传感器模块91和电源模块94组成,其中电源模块94为处理器模 块92、无线通信模块93和传感器模块91提供工作电源,传感器模块91用于将采集到的信 息发送给处理器模块92,所述处理器模块92用于将接收到的信息存储、并发送给无线通信 模块93,无线通信模块93用于与井下无线传感器网络中的其他节点中的无线传感器模块 进行通信,传输采集到的数据和控制信息。
[0021] 本实施方式中的簇头节点在硬件结构上与无线传感器节点相同,区别在于电池模 块的容量大于无线传感器节点中的电池容量,无线通信模块的发射功率大于无线传感器节 点的无线通信模块的发射功率;处理器模块的数据处理存储能力强于无线传感器节点的数 据处理能力。
[0022] 本实施方式中的簇头节点用于完成附加的下层网络的管理、下层网络节点数据的 收集、组成多跳网络把数据传输到网关节点等功能,因此在硬件方面需要增强处理存储能 力、增大无线通信模块功率、增加能源供应模块的容量,软件方面主要增加子网管理、路由 协议等。
[0023] 本实施方式中的网关节点的电路结构是在簇头节点的基础上增加了接入主巷道 的有线通讯模块,具体结构参见图4所示。所述网关节点7由传感器模块71、处理器模块 72、无线通信模块73、有线通信模块74、充电管理模块75和电源模块76组成,所述充电管 理模块75用于为电源模块76进行充电管理,所述电源模块76为传感器模块71、处理器模 块72、无线通信模块73和有线通信模块74提供工作电源,传感器模块71用于将采集到的 信息发送给处理器模块72,所述处理器模块72用于将接收到的信息存储并发送给有线通 信模块74,还用于接收有线模块71发送的命令,并根据执行所述命令;所述处理器模块72 还用于接收无线通信模块73发送的数据,并将所述数据存储或发送给有线通信模块74,无线通信模块73用于与井下无线传感器网络中的其他节点中的无线传感器模块进行通信,传输采集到的数据和控制信息。所述有线通信模块74提供有CAN协议模块接口。
[0024] 上述网关节点的硬件结构上在簇头节点的基础上增加CAN总线通信模块和充电 管理模块,本实施方式中的电源模块可采用可充电电池,所述充电管理模块可采用现有可 充电电池的管理模块即可。该节点正常情况下使用有线供电网络的电能,并保持电源模块 的满电量,在有线发生故障时切换到电源模块供电的工作方式;软件方面需要增加ZigBee 协议与CAN协议转换、井下无线传感器网络的管理等功能。
[0025] 本实施方式中的有线传感器节点可以使用与网关节点相同的设备,软件中设置为 有线连接可用时关闭无线功能,在有线通信故障或者收到上位机的直接指令时打开无线设 备,并启动网关节点的功能,实现与其他无线节点自组织形成无线通信网络。
[0026] 本实施方式中的可移动节点可选用无线传感器节点实现,也可在无线传感器节的 基础上增加显示和操作模块。
[0027] 当所述可移动节点标示工作人员的位置时,可以安装在工作人员所带的头灯上, 并采用头灯的供电电源作为工作电源,所述传感器模块一般只选择与人身安全相关的传感 器。并还可以增加用于人机交互功能的显示和操作模块,显示部分包括数字显示和声音报 警器,操作模块为按钮,例如可采用如图5所示的结构:图5所示的可移动节点8包括传感 器模块81、处理器模块82、无线通信模块83、显示/操作接口 84和电源模块85,电源模块 85为传感器模块81、处理器模块82、无线通信模块83和显示/操作接口 84提供工作电源, 传感器模块81将采集到的数据发送给处理器模块82,所述处理器模块82用于将接收到的 数据存储并发送给无线通信模块83,所述处理模块82还用于控制显示/操作口的数据输出 /输入,无线通信模块83用于与井下无线传感器网络中的其他节点中的无线传感器模块进 行通信,传输采集到的数据和控制信息。在实际应用时,所述电源人模块85还可以为工作 人员的头灯等其它用电设备提供工作电源。
[0028] 所述可移动节点的位置不固定,因此,在工作过程中,仅选择与其距离最近簇头节 点作为上级节点实现数据传输。
[0029] 本实施方式中的无线传感器节点、有线传感器节点、网关节点和可移动节点中的 传感器模块都是把把各敏感变量转化为电信号的传感器,一般其内部都包括有A/D转换电 路部分,实现将模拟信号转换成数字信号的功能,具体传感器模块的类型可以根据矿井的 实际需要选择,包括但不限于矿井内瓦斯、一氧化碳浓度、井下温湿度、风速、压力等。均可 采用现有的传感器实现。
[0030] 本实施方式中的无线传感器节点、有线传感器节点、网关节点和可移动节点中的 电源模块可以选用铅蓄电池或者干电池。
[0031] 具体实施方式三:本实施方式是基于具体实施方式一所述的基于具有重组功能 的WSN矿井安全监测系统的井下事故监测方法,
井下有线传感器网络布置于矿井的主巷道中,该网络中的有线传感器6采集主巷道 中的各种参数,并通过CAN总线传送至底面监控中心的井下监控接入主机3,实现对主巷道 中数据的采集;
多个井下无线传感器网络10分别布置于各个从巷道中,每个井下无线传感器网络中 的网关节点7位于从巷道的入口处,并与主巷道中的CAN总线连接实现数据传输;每个井下无线传感器网络中的若干个簇头节点4根据所在从巷道的地形分散在该从巷道中,并使得 若干个簇头节点4的无线信号接收范围覆盖该从巷道的每一个区域,若干个无线传感器节 点9分散布置在该中巷道中各个需要采集数据的位置,若干个可移动节点8随机分布在从 巷道中,若干个簇头节点4接收其信号覆盖范围内的无线传感器节点9和可移动节点8发 送的数据信息;
所述井下事故监测方法为:
一、网络各部件检测:
地面监控中心检测到通信异常,并根据通信异常情况指定一个或多个有线通信正常的 有线传感器节点作为重构后井下无线传感器网络的网关节点;
有线传感器节点在检测到有线通信故障后,打开无线通信功能,等待无线网络重组; 网关节点在检测到有线通信故障后,向所属的井下无线传感器网络发出事故报告,然 后等待无线网络重组;所述井下无线传感器网络中接收到事故报告的各个簇头节点、无线 传感器节点和可移动节点停止数据采集,等待无线网络重组; 二、网络重组、信息收集阶段:
指定为网关节点的有线传感器节点发出组建无线网络的信息,使得该有线传感器节点 和事故波及范围内的其它有线传感器节点、事故波及范围内网关节点自组织成为最上层无 线通信网络;
事故波及范围内、接收到事故报告的井下无线传感器网络中的各个簇头节点和无线传 感器节点执行事故后网络重构、定位,并收集其无线通信覆盖范围内的可移动节点信息;
三、数据传输:在此阶段,原有井下无线传感器网络继续收集井下信息,包括可移动节 点的位置信息,并通过网关节点将收集到的信息转发到最上层无线通信网络,然后由被指 定为该最上层无线通信网络中的网关节点将信息转发入有线通信网络,最终发送给地面监 控中心,地面监控中心处理并显示这部分信息。
[0032] 上述地面监控中心检测到通信异常是指当某一区域或某一点之后的网络节点查 询超时,即认定为通信异常。
[0033] 上述有线传感器节点和网关节点检测有线通信故障的方法为:在有线通信故障 持续一定时间后,认定为有线通信故障,所述一定时间可根据矿井的管理情况确定,例如: 线路损坏等非事故性故障,无法通信后上位机管理系统后发出维修通知并在指定时间内修 复,则该指定时间即可作为一定时间。
[0034] 由于部分节点可能在事故发生过程中损坏,因此,在事故发生过程中还可能需要 网络重构,以保证网络的畅通。
[0035] 在事故发生前,井下无线传感器网络中除了可移动节点之外的节点的位置都是固 定不变的,在事故发生过程中,无线通信网络中的所有节点的位置都有可能发生变化,因 此,在发生故障过程中,在网络重构之后,需要对无线网络中的所有节点的位置重新进行定 位检测。
[0036] 在实际应用中,事故发生后的救援人员可以根据本实施方式所获得的井下信息指 定最合理的救援计划,并尽快救出井下被困人员。
[0037] 本实施方式,在事故发生后,任何一个通信正常的有线传感器节点都可以作为网 关节点,并与有线通信故障的网关节点和有线传感器节点组成最上层无线通信网络保证通信的可靠性。本实施方式根据系统故障的情况,有多种方式实现系统的重构,进而保证井下与井上的数据通信通畅,能够确保地面的监控中心掌握井下状况,为救援提供可靠信息。
[0038] 本实施方式所述的井下监测方法,在没有条件搭建有线网络或者有线网络成本太 高的巷道中铺设井下无线传感器网络,包括簇头节点、普通无线传感器节点,并在适当的地 方放置网关节点并接入有线传感器网络,并可以随着采掘工作的推进,在新出现的巷道放 置无线传感器节点,包括簇头节点和普通无线传感器节点,还可以随着采掘工作的进行,在 满足铺设有线网络的地方铺设有线网络,可以根据情况保留或撤销井下无线传感器网络。
[0039] 本实施方式中,相邻两个有线传感器之间的距离不大于该有线传感器的无线全功 率通信时通信距离的一半。
[0040] 本实施方式为了保证在发生事故后的辅助救援功能,限定了有线传感器的分布密 度,具体根据实际矿井情况和选用无线通信模块的可靠性情况予以选择,要求两个有线传 感器节点的距离不大于被埋藏后节点全功率通信时通信距离的一半。这样能够保证当有一 个有线传感器损坏时,与该有线传感器相邻的两个有线传感器能够采用无线通信方式进行 数据传输。
[0041] 参见图6举例说明本发明所述的系统在事故后的重构过程:
图中,A为主巷道,其中分布的是有线传感器网络;B为从巷道,其中分布有多个簇头节 点(符号“·”表示)、无线传感器节点(符号“〇”表示)和可移动节点(符号“□”表示)。网 关节点上面的传感器网络部署在采集面上。发生事故后,波及虚线所框的范围E内的有线 通信电缆遭到破坏,井下监控接入主机在检测到深处有网关节点或者有线传感器无法通信 时,即指定能正常工作的最深处的有线传感器C打开无线通信功能并作为重构的最上层无 线网络的网关节点。在有线传感器检测到有线通信故障时,自动开启其无线通信功能,并自 组织成为最上层的通信网络,并以井下监控接入主机所指定的、正常工作的无线传感器作 为网关节点,同时向原来的井下无线传感器网络发出指令,停止所有的传感器数据采集功 能,停止休眠功能,全力保证数据传输的通常,为救援提供有效可靠的信息。
[0042] 具体实施方式四:下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明,但本发明不 限于此:
图2为本发明的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统的示意框图,如图2所示,基于 WSN的矿井安全监测与救援辅助系统包括地面监控中心、井下有线传感通信网络和井下无 线传感器网络组成,地面监控中心包括井下监控接入主机、数据库服务器、监控终端和远程 终端组成,除远程终端外其他部分通过以太网进行连接,远程终端通过互联网接入网关连 入地面监控中心的局域网;井下有线传感通信网络有供电电缆、CAN总线电缆和有线传感 器节点组成,井下有线传感器节点通过供电电缆供电,使用CAN总线协议与地面监控中心 的接下数据接入主机通信,此外,为了在井下发生事故时保持通信连路的可用性,有线传感 器节点也配备备用电源和无线通讯模块,但仅在有线供电和通信故障时或者接收到井上监 控中心的直接指令后开启;井下无线传感器网络由网关节点、簇头节点、普通传感器节点和 井下人员用可移动节点组成,网关节点和簇头节点使用ZigBee协议通过多跳方式组成上 层无线通信网络,以网关节点为主节点,簇头节点与它附近的普通传感器节点和工作人员 使用ZigBee协议通过单跳模式组成下层无线通信网络。
[0043] 所有的传感器节点,包括有线和无线节点装配有瓦斯传感器、粉尘传感器和温湿度传感器,具体采用了 MSP430F1611IPM单片机作为所有传感器节点的处理器,存储器使用 单片机自带的10KRAM,无线通信模块选用CC2420,温度传感器型号为ADT7301,湿度传感器 为SHT11,瓦斯传感器选用MID04型智能红外甲烷传感器。供电方面,有线传感器节点、网 关节点、普通传感器节点供电采用llOOmAhLi-ion电池,其中有线传感器节点和网关节点 的电池为备用;簇头节点配备大容量的6800mAh电池,。此外,有线传感器节点和网关节点 的CAN接口由独立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250组成。所有传感器节点 均使用TinyOS系统,该系统自带ZigBee网络通信协议,CAN协议和上层控制程序使用NesC 语言开发。各传感器节点设计方案如图3、4、5所示。
[0044] 地面监控中心中,井下监控接入主机采用研祥EIC-2406-02型工控机和ACQ公 司的PCI360CAN总线控制板卡,操作系统采用WindowsXP,应用程序使用VisualC++6. 0开 发。数据库服务器采用研祥EIS-2201-01型工业级2U标准上架型服务器,操作系统选用 WindowsXP,数据库软件为SQLServer2000。监控终端选用研祥EIC-2406-02型工控机,操作 系统选用WindowsXP,监控软件使用VisualC++6. O开发。
[0045] 正常运行时井下无线传感器网络系统参见图1中的10所示,簇头节点按照设定的 周期查询它附近的普通传感器节点和可移动节点,收集传感器数据,进行简单处理后发送 给网关节点,网关节点通过有线连接发送到井下监控接入主机,进入地面监测中心。数据进 入地面监测中心之后首先发送到数据库服务器进行保存,然后送入监控终端实时显示,同 时根据设定的条件在数据发生异常时发出警报由监测人员处理。
[0046] 系统的事故处理流程中,地面监控中心的处理流程参见图7所示,具体为: 检测到部分有线传感器节点或者网关节点连续多个周期查询超时;
判断故障节点是否满足故障条件(所述故障条件一般是指某一节点之后的全部节点无 法连接,同时结合其他判断条件如振动信号、历史数据、人工监测等判定);如果不满足,则 发出维修警报;否则,根据所有判定为故障节点位置信息获得故障发生范围; 发出故障报警,报告事故发生范围; 指定重构最上层无线网络的网关节点; 接收重构的最上层无线网络发送的信息,并显示。
[0047] 事故发生后,事故发生范围内有线传感器节点的工作流程参见图8所示,具体过 程为:
有线传感器节点检测到其供电且有线通信故障;等待设定时间后供电和有线通信仍处 于故障状态,则关闭数据采集功能,打开无线数据通信功能,等待组建无线通信网络。
[0048] 事故发生后,事故发生范围内网关节点的工作流程参见图9所示,具体过程为:
网关节点检测到其供电且有线通信故障;等待设定时间后供电和有线通信仍处于故障 状态,则关闭数据采集功能,并向其所属的井下无线传感器网络中发出故障预警信息,然后 等待组建无线通信网络。
[0049] 所述设定时间根据实际情况设定。一般有线传感器节点和网关节点失去有线连接 后等待时间为2个小时,为维修人员到达任意节点所需要的最长时间。
[0050] 事故发生后,接收到作为重构最上层无线网络的网关节点命令的有线传感器节点 负责组建最上层无线网络,实现井下无线传感器网络和井下有线网络之间的数据传输,进 而实现井下无线网络与地面监控中心的数据传输。[0051] 事故发生后,上位机检测到异常后指定上层网关节点,有线传感器节点和网关节点检测到有线通信故障后启动上层网络通信功能,三者自组织成为上层无线通信网络,把 收集到的事故信息和井下人员信息发送到井上监测系统。

Claims (10)

  1. 一种具有重组功能的WSN矿井安全监测系统,其特征在于它由地面监控中心、井下有线传感器网络和多个井下无线传感器网络(10)组成,其中地面监控中心是由井下监控接入主机(3)、数据库服务器(2)、监控终端(1)和远程终端(5)组成的以太网系统;井下有线传感器网络是由有线供电系统和多个有线传感器(6)组成的CAN总线网络,多个有线传感器均连接在CAN总线上,并且井下有线传感器网络与地面监控中心的井下监控接入主机采用CAN总线连接;所述井下无线传感器网络(10)是由网关节点(7)、若干个簇头节点(4)、若干个无线传感器节点(9)和若干个可移动节点(8)组成的无线网络,其中网关节点(7)和簇头节点(4)组成上级无线通信网络,簇头节点(4)和其附近的普通无线传感器节点(9)、可移动节点(8)组成下级无线通信网络,上级无线通信网络中的网关节点(7)与井下有线传感器网络的CAN总线连接,网关节点(7)把收集到的传感器数据和移动节点信息发送至井下有线传感器网络。
  2. 2.根据权利要求1所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统,其特征在于所述 井下监控接入主机、监控终端使用适用于矿井环境的工业用控制计算机,数据库服务器使 用适用于矿井环境的工业用服务器,远程监测终端根据使用环境可选择工控机或者普通PC 机、笔记本电脑。
  3. 3.根据权利要求1所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统,其特征在于所述井 下无线传感器网络是采用ZigBee协议组成的无线通信网络。
  4. 4.根据权利要求1所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统,其特征在于所述有 线传感器(6)包括备用电源和无线通信模块。
  5. 5.根据权利要求1所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统,其特征在于所述无 线传感器节点(9)、簇头节点(4)、网关节点(7)和可移动节点(8)均包括传感器模块。
  6. 6.根据权利要求5所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统,其特征在于所述传 感器模块是矿井内瓦斯传感器、一氧化碳浓度传感器、井下温湿度传感器、风速传感器或压 力传感器。
  7. 7. 一种基于权利要求1所述的具有重组功能的WSN矿井安全监测系统的井下事故监测 方法,其特征在于:井下有线传感器网络布置于矿井的主巷道中,该网络中的有线传感器(6)采集主巷道 中的各种参数,并通过CAN总线传送至底面监控中心的井下监控接入主机(3),实现对主巷 道中数据的采集;多个井下无线传感器网络(10)分别布置于各个从巷道中,每个井下无线传感器网络中 的网关节点(7)位于从巷道的入口处,并与主巷道中的CAN总线连接实现数据传输;每个井 下无线传感器网络中的若干个簇头节点(4)根据所在从巷道的地形分散在该从巷道中,并 使得若干个簇头节点(4)的无线信号接收范围覆盖该从巷道的每一个区域,若干个无线传 感器节点(9)分散布置在该中巷道中各个需要采集数据的位置,若干个可移动节点(8)随 机分布在从巷道中,若干个簇头节点(4)接收其信号覆盖范围内的无线传感器节点(9)和 可移动节点(8)发送的数据信息;所述井下事故监测方法为:一、网络各部件检测:地面监控中心检测到通信异常,并根据通信异常情况指定一个或多个有线通信正常的 有线传感器节点作为重构后井下无线传感器网络的网关节点;有线传感器节点在检测到有线通信故障后打开无线通信功能,等待无线网络重组;网关节点在检测到有线通信故障后,向所属的井下无线传感器网络发出事故报告,然 后等待无线网络重组;所述井下无线传感器网络中接收到事故报告的各个簇头节点、无线 传感器节点和可移动节点停止数据采集,等待无线网络重组;二、网络重组、信息收集阶段:指定为网关节点的有线传感器节点发出组建无线网络的信息,使得该有线传感器节点 和事故波及范围内的其它有线传感器节点、事故波及范围内网关节点自组织成为最上层无 线通信网络;事故波及范围内、接收到事故报告的井下无线传感器网络中的各个簇头节点和无线传 感器节点执行事故后网络重构、定位,并收集其无线通信覆盖范围内的可移动节点信息;三、数据传输:在此阶段,原有井下无线传感器网络继续收集井下信息,包括可移动节 点的位置信息,并通过网关节点将收集到的信息转发到最上层无线通信网络,然后由被指 定为该最上层无线通信网络中的网关节点将信息转发入有线通信网络,最终发送给地面监 控中心,地面监控中心处理并显示这部分信息。
  8. 8.根据权利要求7所述基于具有重组功能的WSN矿井安全监测系统的井下事故监测方 法,其特征在于:相邻两个有线传感器之间的距离小于或等于该有线传感器的无线全功率 通信时通信距离的一半。
  9. 9.根据权利要求7所述基于具有重组功能的WSN矿井安全监测系统的井下事故监测方 法,其特征在于:所述地面监控中心检测到通信异常是指当某一区域或某一点之后的网络 节点查询超时,即认定为通信异常。
  10. 10.根据权利要求7所述基于具有重组功能的WSN矿井安全监测系统的井下事故监测 方法,其特征在于:所述有线传感器节点和网关节点检测有线通信故障的方法为:在有线 通信故障持续一定时间后,认定为有线通信故障。
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Assignee: Heyuan Zijin sky gull Mining Co., Ltd.

Assignor: Harbin Institute of Technology

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Denomination of invention: Downhole accident monitoring method of WSN mine safety monitoring system with recombination function

Granted publication date: 20120919

License type: Exclusive License

Record date: 20130731

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