引 言

煤礦安全關(guān)系到礦工的人身安全，煤礦安全問題是工業(yè)生產(chǎn)一直關(guān)注的重點問題。煤礦開采多為地下工作，面臨著光線差、有毒氣體易超標、頂部壓力大易塌方、粉塵濃度大、空氣潮濕、區(qū)域狹小易變形等多種危險問題，如何進行安全開采受到社會各界的關(guān)注。應(yīng)用于煤礦井下的遠程監(jiān)控系統(tǒng)以及對井下實時狀況進行危險度分析的預(yù)警系統(tǒng)是保障煤礦安全的重要輔助手段。

針對煤礦井下生產(chǎn)面臨的易爆、易腐蝕、事故多發(fā)、現(xiàn)有監(jiān)控死角較多的情況，本文系統(tǒng)借助最新的信息化技術(shù)，從煤礦井下安全出發(fā)，將基于 ZigBee 的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下的數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和有線傳輸相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的分析處理、實時監(jiān)控和預(yù)測分析，并在多種平臺的終端上進行可視化呈現(xiàn)。

1 智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文系統(tǒng)主要實現(xiàn)對煤礦井下實時環(huán)境的多參數(shù)檢測， 實時監(jiān)控采集過程，有毒氣體超標實時報警，采用多數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對多種環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，并將分析結(jié)果以人性化的方式在移動終端及 PC 機上進行可視化呈現(xiàn)。當分析結(jié)果超過預(yù)定值時，則報警。此外，系統(tǒng)具有反向控制功能，根據(jù)分析結(jié)果可以控制相應(yīng)的設(shè)備工作， 當溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊瘸^額定值時，啟動對應(yīng)設(shè)備進行安全預(yù)防。礦井下智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按照系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成可將系統(tǒng)分為三部分，即井下基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，井上由網(wǎng)關(guān)、任務(wù)管理器及服務(wù)器構(gòu)成的 Ethernet 網(wǎng)絡(luò)，通過遠程網(wǎng)絡(luò)在智能終端及 PC上進行可視化呈現(xiàn)的 Internet 網(wǎng)絡(luò)。由數(shù)據(jù)備份中心進行數(shù)據(jù)備份， 由數(shù)據(jù)處理中心對多種傳感數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析。

1.1 井下基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

由于井下環(huán)境惡劣、濕度較大，若在井下采用有線網(wǎng)絡(luò)， 線路易腐蝕及折斷。ZigBee 作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型關(guān)鍵技術(shù)[1]，具有低成本、高穩(wěn)定性、易擴展、易布置、組網(wǎng)簡單等優(yōu)點，適用于地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣、檢測有死角的監(jiān)控領(lǐng)域。所以本文系統(tǒng)在井下采用基于 ZigBee 的無線傳感器自組織網(wǎng)絡(luò)，拓撲結(jié)構(gòu)采用環(huán)形網(wǎng)以及星型網(wǎng)，傳感器終端節(jié)點自組織快速形成無線網(wǎng)絡(luò)。

1.2 井上 Ethernet網(wǎng)絡(luò)及 Internet網(wǎng)絡(luò)

FFD 設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳路由后傳輸?shù)絽R聚節(jié)點， 在井上部分采用有線傳輸方式，匯聚節(jié)點通過以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給任務(wù)管理器，任務(wù)管理器具備一定的存儲計算能力。本文系統(tǒng)針對大型礦井采集數(shù)據(jù)量較大，需進行實時數(shù)據(jù)聯(lián)動分析并預(yù)測評價的特點，特在本文系統(tǒng)中通過服務(wù)器模塊進行數(shù)據(jù)庫操作及程序運行。

對于信息量較大且具有保存價值的數(shù)據(jù)，可通過互聯(lián)網(wǎng)將其上傳到數(shù)據(jù)備份中心進行備份存儲。對于關(guān)聯(lián)分析給出的可視化結(jié)果，可通過互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)等發(fā)送給遠程觀測的智能終端及 PC 端。反向控制部分操作可由服務(wù)器程序自動進行，部分操作可通過遠程終端人為控制，或通過與井下工作人員的通信手動控制。

2 基于 ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

基于 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點、匯聚節(jié)點、網(wǎng)關(guān)以及任務(wù)管理節(jié)點組成 [2]。終端節(jié)點由影響煤礦井下安全因素的相關(guān)傳感器節(jié)點組成，通過多種類型的傳感器對煤礦井下的瓦斯、煙霧、CO、溫度、濕度、粉塵、風(fēng)速、頂板壓力等環(huán)境因素進行實時數(shù)據(jù)采集。終端節(jié)點的布置包括放置于固定檢測點的固定節(jié)點，以及置于井下工作人員頭燈上的移動節(jié)點。鑒于井下環(huán)境惡劣，傳感器易損壞，區(qū)域狹小， 節(jié)點易更換的情況，無需過多考慮節(jié)點能耗問題，所以本文系統(tǒng)全部采用具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的 FFD 全功能設(shè)備，不再使用RFD。ZigBee 終端節(jié)點硬件設(shè)計如圖 2 所示。

ZigBee 終端節(jié)點采用 CC2530 片上系統(tǒng) [3]，底層基于IEEE 802.15.4 標準，應(yīng)用層可基于 TI 公司的 Z-Stack 開發(fā)。CC2530 是 CC2430 的升級版，在 FLASH 大小、MAC 定時器信道及大小、封裝尺寸、可操作溫度等方面都有所提升，可 與 8051 單片機兼容，能以低廉的成本快速構(gòu)建強壯的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有系統(tǒng)可編程的 256 B 閃存、8 kB RAM、8 通 道 ADC 以及 21 個 GPIO 口。只需要一個晶振就可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)要求，且自身功耗低，方便接入多個傳感器及外圍電路。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點硬件設(shè)計如圖 3 所示。匯聚節(jié)點具有數(shù)據(jù)收集及轉(zhuǎn)發(fā)功能。本文系統(tǒng)采用有線通信和無線通相結(jié)合的方式，體現(xiàn)在匯聚節(jié)點的通信模塊上，是井上、井下網(wǎng)絡(luò)的銜接點，與井下傳感器構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，與井上設(shè)備構(gòu)成井上以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。處理器使用 Silicon Labs 公司設(shè)計生產(chǎn)的C8051F126，其具有 50 MIPS 的 CPU，12 位 ADC，片內(nèi)集成 JTAG，集成度高，可便捷地進行在線調(diào)試。

                                                                                                                                                                    圖 3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點硬件設(shè)計

3 智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)功能設(shè)計

服務(wù)器數(shù)據(jù)處理中心首先將采集到的原始數(shù)據(jù)寫入原始數(shù)據(jù)庫，對不同類型的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分離，得到 CO，CH4，粉塵，溫度，濕度等實時傳感值；然后通過特定的最小支持度與置信度支持尋找最大的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)頻繁集，進行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘 ；再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的安全報警值，對礦井下的實時環(huán)境進行評價， 得到預(yù)測結(jié)果。

監(jiān)控軟件安裝于 PC 端及智能終端。PC 端具有對關(guān)聯(lián)分析結(jié)果進行可視化呈現(xiàn)，繪制分離得到的實時數(shù)據(jù)曲線，數(shù)據(jù)查詢及導(dǎo)出，顯示節(jié)點狀態(tài)、節(jié)點位置 [4]，及時通知救援等功能，并可輸出響應(yīng)指令對負載設(shè)備進行控制操作。PC 端監(jiān)控功能如圖 4 所示。

4 結(jié) 語

從礦井安全生產(chǎn)出發(fā)，本文提出了一種智能監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方面可分為基于 ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、井上 Ethernet網(wǎng)絡(luò)和井上 Internet網(wǎng)絡(luò) ；從通信角度考慮，可分為井下無線通信和井上有線通信。采用實時數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，將結(jié)果以人性化方式呈現(xiàn)在 PC端及智能終端， 監(jiān)控側(cè)可向負載設(shè)備發(fā)出控制指令。