CN1987049A - 煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，该网络系统的结构属于星型拓扑结构，由sink节点和无线传感器节点组成。所说的无线传感器节点和sink节点中都置有无线通信模块，无线通信模块之间通过收发天线经无线通信链路电连接，用于在无线传感器节点与sink节点之间组建成通信网络；无线传感器节点实时采集煤矿井下临时施工点周围环境的瓦斯浓度和温度，sink节点显示、存储无线传感器节点采集的数据，并在有异常情况发生时报警；该网络系统能保证临时施工点监测区域无检测死角，确保工作人员及时撤离或采取有效的安全自救措施，亦可在计算机上分析瓦斯动态变化的特征。
Description
所属领域 本发明属于传感器技术和无线通信领域，尤其是涉及煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统。
背景技术 煤炭行业是我国工业生产中伤亡事故最严重的行业，百万吨煤矿死亡人数远高于国外主要产煤国。煤矿灾害的消极影响远远超过了经济范畴，使煤矿企业形象受到巨大损害。严峻的安全生产问题还造成不良的社会影响和严重的环境危害，成为社会不稳定的因素之一。
为了提高煤矿生产安全性，我国的煤矿安全监控系统经历了从引进到自主研发的过程。目前较具有代表性的有KJ90、KJ95、KJF2000和KJ4/KJ2000等系统。这些安全监控系统多数以有线的方式实现信息传输，随着煤矿安全形势的需要和科学技术的发展，将无线通信技术引进煤矿安全监控系统，实现移动目标的定位、跟踪和通信，以及环境参数的移动检测。
通过查新检索，相关的现有技术有三个：其一，CN1555032A公开了一种生产安全实时远程监控系统；其二，CN1545181A公开了一种井下电网安全运行监控系统及方法；其三，CN16768861A公开了一种基于传感器网络的井下安全监测系统、装置及方法。
其中，中国科学院计算技术研究所申请的发明专利CN16768861A，该发明的系统由地面监控基站、巷道基站、无线节点构成。系统方法包括：地面监控基站方法、巷道基站方法、无线节点方法。地面监控基站用于传感器网络系统和主控计算机进行通信。巷道基站带有传感器，可以采集矿井巷道内的各种环境参数，包括瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、风速。巷道基站使用有线通信与无线通信相结合的方法，将采集的数据信息与矿井人员信息传输至地面主控中心。该系统可以完成矿井指挥调度、安全监测、尤其是事故抢险救援工作。
上述系统为无线通信技术在井下的应用奠定了良好的基础，在一定程度上满足了煤矿安全监控与语音通讯的需求。但是，上述系统不适于用在井下常用的临时施工点，这是因为：(1)临时施工点要求快速形成一个安全监测网络，而上述系统的安装调试工作需要大量的时间；(2)当临时施工点结束工作后，监测系统也就失去功效；如果使用上述系统，施工点结束工作后，装置的拆除也是一件相当繁琐的事，而如果弃之不顾，则是一笔不小的经济损失。
基于上述原因，井下临时施工点施工时，大多使用便携式检测装置(如个人数字助理PDA)，但这只能完成小范围的监测，不能形成大范围的安全监测，以致仍然存在许多安全隐患。
发明内容 为了解决以上技术问题、补充现有技术的盲点，本发明的目的是：提供一种能快速布设、形成大范围安全监测的煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统。
本发明的技术方案是：一种煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，该网络系统的结构属于星型拓扑结构，包括物理层、数据链路层、网络层，其特征在于：网络系统由1个sink节点和多个多个无线传感器节点组成，所说的无线传感器节点和sink节点中都置有无线通信模块，无线通信模块之间通过收发天线经无线通信链路电连接，用于在无线传感器节点与sink节点之间组建成通信网络；
所说sink节点置于监测区域的中心位置，用于显示无线传感器节点工作状况、报警异常情况；所说的多个无线传感器节点均匀置于监测区域，实时采集井下临时施工点周围环境的瓦斯浓度。
所述的数据链路层负责媒体访问控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要有媒体访问控制MAC组成，采用基于预先规定的媒体访问控制协议，首先由sink节点向各个无线传感器节点发送一个开始指令，无线传感器节点侦听到指令信息，转为接收状态，各个无线传感器节点收到来自sink节点的开始指令后，就由接收状态转为发送状态，并按ID*2ms时间间隔逐个向sink节点发送数据；
所述的网络层的主要任务是发现和维护路由，网络采用按需路由协议，使用“路由请求”/“路由应答”机制来建立路由，当节点需要去往某未知目的节点的路由时，由源节点广播一个包含“广播标识”的“路由请求”分组给所有的邻居节点，如在邻居节点中未发现目的节点，邻居节点就转发该“路由请求”分组，直到“路由请求”分组到达目的节点或是到达知道去往目的节点路由的中间节点，然后目的节点或知道去往目的节点路由的中间节点沿反向路由发送“路由应答”分组。
所述的sink节点内置有液晶显示和超限声光报警装置，能够及时直观掌握网络覆盖内的瓦斯分布和动态变化特征。
所述的sink节点内置有存储模块，能够记录瓦斯的动态变化数据，监测任务结束后，将数据上载至计算机，用于瓦斯动态变化特征的分析。
所述的由无线传感器节点实时采集的井下临时施工点周围环境的参数包括瓦斯浓度和温度。
作为煤矿井下安全监控通信系统的一大补充，所述的sink点内置有相互电连接的液晶显示模块、超限声光报警装置、无线通信模块、键盘以及存储模块，中心微处理器采用MSP430系列单片机的MSP430F149；所述无线传感器节点内置有相互电连接的瓦斯检测设备(即甲烷浓度传感器)、温度传感器和无线通信模块，中心微处理器采用MSP430系列的MSP430F135；所述的无线通信模块采用多频道多频段的高性能嵌入式无线模块PTR8000，工作频段为430/868/915MHz。
煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统工作机理的特征在于：
无线传感器节点由甲烷浓度传感器和温度传感器从周围环境中采集瓦斯浓度和温度，由无线通信模块经无线射频通信链路将数据包传送给sink节点；
sink节点实时显示井下临时施工点周围环境的瓦斯浓度、温度以及各无线传感器节点的工作情况(正常、失效)，存储从各个无线传感器节点收集的瓦斯浓度和温度，当有无线传感器节点失效，或者接收到的瓦斯浓度和温度超过设定的安全界限时，立即报警。
相当于现有技术，本发明的有益效果是：
其一，在现有技术“一种基于传感器网络的井下安全监测系统、装置及方法”系统中，由于人员的流动性，巷道基站必须频繁的对无线节点进行注册，又由于井下复杂的环境因素，以致于构成的井下无线网络系统稳定性差，通信效率低，不能保证井下工作人员的安全；本发明中的sink节点置于监测区域的中心位置，无线传感器节点均匀置于监测区域，这样构建的系统结构稳定，通信效率高，当有异常情况发生时，sink节点可立即报警，确保工作人员可及时撤离或采取有效的安全自救措施。另外，sink节点内置有液晶显示和超限声光报警装置，可以及时直观掌握网络覆盖内的瓦斯分布和动态变化特征。
其二，在现有技术“一种基于传感器网络的井下安全监测系统、装置及方法”的系统中，巷道基站接收无线节点的数据信息，向地面监控基站发送信息数据以及接收由地面主控基站发送来的控制信号，并带有多种传感器，对环境参数进行采集，而巷道基站的结构相对固定，往往跟不上采掘推进速度，造成大量的环境检测死角；本发明的系统由1个sink节点和若干无线传感器节点构建而成，布设和移除都非常方便、快捷，且系统易于扩展，同时当有无线传感器节点失效时，sink节点显示失效节点的标识号，并立即报警，工作人员即可及时更换失效节点，能够保证临时施工点监测区域无监测死角。
其三，首次提出了一种适用于煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，这种网络系统采用无线通信新技术，即无线传感器网络技术，它是由无线传感器节点通过无线通信技术自组织构成临时性自治系统，不依赖于任何预先布置的无线或有线设施，可实现数据的采集、处理和传输。这种传感器网络集中了传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术，开辟了信息科学中的一个新的研究领域，其快速展开、自组织特性使得无线传感器网络成为井下临时施工点的无线通信网络的理想选择。
附图说明 下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
图1是煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统结构示意图；
图2是无线传感器节点电路原理方框图；
图3是sink节点电路原理方框图；
图4是sink节点和无线传感器节点工作流程图。
图1中，1：sink节点；2：无线传感器节点；3：无线通信模块；4：无线射频通信链路；5：收发天线。
具体实施方式 参见图1、图3，sink节点1置于井下临时施工点安全监测区域的中心，而无线传感器节点2则均匀置于监测区域，sink节点1由收发天线5经无线射频通信链路4与多个无线传感器节点2电连接，从而形成煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统体系结构。
在临时施工点放置好sink节点1和无线传感器节点2后，打开所有节点的电源开关，sink节点1和无线传感器节点2迅速自组织成无检测死角的监测网络，该网络属于星型拓扑结构，包括物理层、数据链路层、网络层。
物理层主要负责感知数据的收集，这里指临时施工点周围环境瓦斯浓度的收集，并对收集的数据进行抽样，信号的调制解调、信号的发送和接收等任务；该网络采用的载波媒体是无线电波，工作频段为430/868/915MHz；
数据链路层负责媒体访问控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要有媒体访问控制MAC组成；这里采用基于预先规定的媒体访问控制协议，首先由sink节点1向各个无线传感器节点2发送一个开始指令，无线传感器节点2侦听到指令信息，转为接收状态，各个无线传感器节点2收到来自sink节点1的开始指令后，就由接收状态转为发送状态，并按ID*2ms(ID为各个节点的标识号)时间间隔逐个向sink节点1发送数据，这样能避免信道中发生竞争冲突，造成数据包的丢失；
网络层的主要任务是发现和维护路由，该网络采用按需路由协议，即采用“路由请求”/“路由应答”机制来建立路由；当节点需要去往某未知目的节点的路由时，广播一个“路由请求”分组(“路由请求”分组包含有“广播标识”-broadcast ID，保证每次广播被唯一标识，也能够避免被其他节点多次转发)给源节点的所有邻居，如在邻居节点中未发现目的节点，邻居节点就转发该“路由请求”分组，直到“路由请求”分组到达目的节点或是到达知道去往目的节点路由的中间节点，当“路由请求”分组到达目的节点或是知道去往目的节点路由的中间节点时，沿反向路由发送“路由应答”分组；使用这一路由协议，不仅可以实现邻居节点间的单跳路由，也可以实现经多个中间节点转发的多跳路由。
本发明采用无线通信和传感器新技术，提出一种适用于煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，这种无线网络系统结构简单，可快速布设、组网，亦可在多个施工点重复使用，其核心是具有功能复用性的sink节点1，它使构建的井下网络具有很强的实用性。
具体实施过程中功能复用型的sink节点1功能实现为：
通常情况下，sink节点1用作监视器，内置的显示模块13实时显示各个无线传感器节点2的工作情况，一旦某个无线传感器节点2失效，sink节点1的显示模块13就显示失效节点的标识号，然后工作人员就可及时更换或检修失效节点，这就保证了井下临时施工点监测区域无检测死角；
当矿井中有异常情况发生时，sink节点1又可作为报警器使用，内置的报警电路14可及时报警异常情况，一旦sink节点1收到无线传感器节点2采集的瓦斯浓度超出设定的安全界限时，报警装置能够立即报警，工作人员就可及时撤离或采取有效的安全自救措施；报警电路14中的报警装置可以自行设定报警上限，这样就可以在不同的临时施工点视具体情况设定不同的安全界限；
另外，sink节点1内置的存储器15存储从无线传感器节点2收集到的数据，当临时施工点结束工作后，通过USB接口及接口电路上17的USB接口把数据输入计算机，就可查看临时施工点周围环境的瓦斯浓度，分析瓦斯动态变化的特征。
图2是无线传感器节点2的电路结构方框图，表示该系统中无线传感器节点2的硬件结构，包括：用于采集煤矿井下临时施工点周围环境瓦斯浓度的甲烷浓度传感器6；用于采集煤矿井下临时施工点周围环境温度的温度传感器7；用于对传感器输出信号进行预处理的信号调理电路11；用于给无线传感器节点各模块供电的电池及电源管理电路8；用于指示各节点发送/接收数据的状态指示灯9；用于发送/接收数据包的无线通信模块3；用于完成自动控制程序和进行数据处理的MSP430F135单片机10，单片机10自带用于数字量和模拟量转换的AD转换器。
打开电池及电源管理电路8上的电源开关后，甲烷浓度传感器6和温度传感器7分别从井下临时施工点周围环境中采集瓦斯浓度和温度，采集的数据输入信号调理电路11，信号调理电路11对这些数据进行预处理，预处理后的数据数据输入MSP430F135单片机10，由MSP430F135单片机10再对数据作模/数转换、打包等进一步的处理，经MSP430F135单片机10处理后的数据输入无线通信模块3，无线通信模块3将数据发送出去，同时由MSP430F135单片机10控制的状态指示灯9闪烁一次，无线通信模块3亦可将从sink节点1接收到的数据输入MSP430F135单片机10中。
图3是sink节点1的电路结构方框图，表示该系统中sink节点1的硬件结构，包括：用于发送/接收数据包的无线通信模块3；用于完成自动控制程序和进行数据处理的MSP4302F149单片机12，单片机12自带用于数字量和模拟量转换的AD转换器；用于显示井下临时施工点周围环境参数、各无线传感器节点2工作情况(正常、失效)的显示模块13；用于报警异常情况的报警电路14；用于记录瓦斯浓度动态变化数据的存储器15；用于把存储的数据载入计算机的USB接口及接口电路16；用于指示sink节点发送/接收数据的状态指示灯17；用于控制显示器显示内容的sink节点上的键盘18，sink节点上的键盘一共有10个按键，编号为0～9；用于给sink节点1各模块供电的电池及电源管理电路19。
打开电池及电源管理电路19的电源开关后，状态指示灯17亮，按一下sink节点1上的键盘18的0号按键，就从MSP430F149单片机12输出一个开始指令，开始指令输入无线通信模块3，无线通信模块3将该指令发送出去，等待一段时间后，无线通信模块3将接收到的由无线传感器节点2发送过来的数据输入MSP430F149单片机12，这时状态指示灯17灭，MSP430F149单片机12对数据进行处理后送到显示模块13显示，同时送到存储器15存储，当有异常情况发生时，MSP430F149单片机12控制报警电路14报警，当临时施工点结束工作后，将USB接口及接口电路16上的USB接口与计算机相连接，这时存储器15将记录的数据输入MSP430F149单片机12，MSP430F149单片机12再将数据经USB接口载入计算机，同时亦可将计算机中的数据经USB接口输入MSP430F149单片机12。
图4是sink节点1和无线传感器节点2工作流程图。
打开sink节点1电池及电源管理电路19、无线传感器节点电池及电源管理电路8的电源开关，按一下sink节点1上键盘18的0号按健，sink节点1就发送一个开始指令，无线传感器节点2收到开始指令后，由甲烷浓度传感器6和温度传感器7从周围环境采集瓦斯浓度和温度，信号调理电路11对采集的数据作预处理，再由MSP430F135单片机10对数据进行模/数转换、打包等处理，然后无线传感器节点2进入发送状态，由无线通信模块3把数据包发送给sink节点1；sink节点1收到数据包后，由MSP430F149单片机12对数据进行处理，然后显示模块13显示各无线传感器节点2采集的瓦斯浓度、温度以及各无线传感器节点2的工作情况，同时存储器15记录动态变化的瓦斯浓度和温度，当瓦斯浓度、温度超限或有节点失效时，报警电路14立即报警；在无线传感器节点2工作的过程中，我们设定传感器采集的频率为1次/秒，无线传感器节点2每发送/接收一次数据，状态指示灯9就闪烁一次，而sink节点1在接收/发送数据时，状态指示灯17则处于一亮一灭的状态；当关闭sink节点1和无线传感器节点2上的电源开关时，sink节点1和无线传感器节点2结束工作。井下临时施工点结束工作后，通过sink节点1上USB接口及接口电路16上的USB接口把数据载人计算机。
Claims (5)
1、一种煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，该网络系统的结构属于星型拓扑结构，包括物理层、数据链路层、网络层，其特征在于：网络系统由1个sink节点(1)和多个无线传感器节点(2)组成，所说的无线传感器节点(2)和sink节点(1)中都置有无线通信模块(3)，无线通信模块(3)之间通过收发天线(5)经无线射频通信链路(4)电连接，用于在无线传感器节点(2)与sink节点(1)之间组建成通信网络；
所说sink节点(1)置于监测区域的中心位置，用于显示无线传感器节点(2)采集的数据及其工作状况、报警异常情况；所说的多个无线传感器节点(2)均匀置于监测区域，实时采集井下临时施工点周围环境的参数。
2、根据权利要求1所述的煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，其特征是：
所述的数据链路层负责媒体访问控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要有媒体访问控制MAC组成，采用基于预先规定的媒体访问控制协议，首先由sink节点(1)向各个无线传感器节点(2)发送一个开始指令，无线传感器节点(2)侦听到指令信息，转为接收状态，各个无线传感器节点(2)收到来自sink节点(1)的开始指令后，就由接收状态转为发送状态，并按ID*2ms时间间隔逐个向sink节点(1)发送数据；
所述的网络层的主要任务是发现和维护路由，网络采用按需路由协议，使用“路由请求”/“路由应答”机制来建立路由，当节点需要去往某未知目的节点的路由时，由源节点广播一个包含“广播标识”的“路由请求”分组给所有的邻居节点，如在邻居节点中未发现目的节点，邻居节点就转发该“路由请求”分组，直到“路由请求”分组到达目的节点或是到达知道去往目的节点路由的中间节点，然后目的节点或知道去往目的节点路由的中间节点沿反向路由发送“路由应答”分组。
3、根据权利要求1所述的煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，其特征是：所述的sink节点(1)内置有液晶显示和超限声光报警装置，能够及时直观掌握网络覆盖内的瓦斯分布和动态变化特征。
4、根据权利要求1所述的煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，其特征是：所述的sink节点(1)内置有存储模块，能够记录瓦斯的动态变化数据，监测任务结束后，将数据上载至计算机，用于瓦斯动态变化特征的分析。
5、根据权利要求1所述的煤矿井下临时施工点安全监测的无线网络系统，其特征是：所述的由无线传感器节点实时采集的井下临时施工点周围环境的参数包括瓦斯浓度和温度。
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