物联网技术在煤矿安全生产中的应用

向玲玲　任国玺

摘要：针对现有煤矿安全监控系统扩展性差，响应时间长及移动物体的监控能力相对较弱的问题，提出利用物联网技术，开发用于煤矿安全生产的监控平台，该平台主要由ZigBee无线传感器网络、物联网接入服务器和上位机可视化软件系统构成。通过矿井仿真平台测试表明，该设计能够实现煤矿井下环境参数测控及人员的精准定位，能为煤矿安全生产监控提供有价值的参考。

关键词：物联网；智能终端；ZigBee；人员定位

针对目前煤矿综合自动化煤矿存在的诸多问题，若把新型传感器、无线传感网络、RFID、分布式信息处理等技术的物联网体系应用到煤矿监测监控系统中，它具有统一的标准，可以克服现有系统存在的不足，为煤矿安全生产与预警救援提供新的思路和方法。

1 系统总体设计方案

煤矿物联网应用模型的结构体系分为以下几点。

1.1 感知层

主要完成井下信息的感知和采集。通过智能传感器、RFID标签读写器、条形码读写器、视频摄像头、本安型智能终端等设备，完成数据采集和设备控制。

1.2 传输层

主要完成数据接入和网络传输。其功能主要由传感网来承担。数据接入是将传感网的末梢节点信息进行组网控制和信息汇集，然后采用不同的通信网络与物联网配合形成承载网络，完成物联网层与层之间的信息通信。

1.3 应用层

即物联网管理平台，主要功能是实现数据信息的汇聚、转换、分析。本层由各种应用服务器和上位机软件组成，并实现对末梢节点的反向控制。

2 煤矿物联网综合信息管理平台建立

综合信息管理平台是依托云计算机技术将煤矿各个独立的系统整合为有机统一的综合监控平台。实现煤矿各系统的数据集成、功能集成和互联互动，充分发挥各系统的综合效应，并通过对各系统数据的挖掘、优化和延伸，实现综合监控系统；视频监控系统；定位监测系统；紧急避险系统；压风自救系统；供水施救系统；产量监测系统；安全设施管理：开采区域管理；设备物流管理；应急指挥；危险品物流管理；报表系统等功能。

3 智能终端设计

将传统的传感器加入嵌入式微处理器，实现对传感器采集到的数据进行简单的逻辑运算和判读形成新型智能物理网终端。该智能终端结选用ARM11内核的$3C6410微处理器，选用RFM22作为射频识别模块。

3.1 微处理器S3C6410

S3C6410的CPU采用基于ARMll76JZF-S核设计，内部集成了强大的多媒体处理单元，主频为667MHz；具有SDRAM内存；以太网RJ45 100接口，通过CS8900网络芯片连接以太网；同时具有现场总线功能。

3.2 射频识别模块RFM22

RFM22是一种低成本、高能量的ISM频段射频收发模块，高灵敏度（-121dBm）以及高功率输出（20dBm），频率范围：240-930MHz；最大输出功率：20dBm；低功耗：185mA（接收）；85mA+20dBm（发射）。数据传输率：0123-256kbpsFSK；数字接收信号强度指示（RSSI）定时唤醒功能；自动频率控制（AFC）；前同步信号检测；64B收发数据寄存器；温度感应和8位模数转换器。

3.3 无线网络ZigBee模块CC2530

采用TI公司的CC2530组成无线传感网，配合智能传感器实现物联网数据采集后的无线通信。同时根据接收信号强度与已知参考节点位置准确计算出被测者的位置坐标，实现人员定位功能。CC2530内部集成增强型8051和RF收发模块，其外围只需要很少元器件的配合就能完成数据的收发。

4 感知层信息采集算法设计

感知层采用RFID系统和无线传感网融合而成的EPC传感网络，不但能获取煤矿井下的环境信息，而且能对静止或移动的物体实现精确识别，同时RFID识别范围还能够不断扩展。

在实际应用中，可能存在感知阴影或盲点，需要对节点不合理分布造成的监测影响进行优化处理。一般先建立节点分布的感知数学模型和应用环境的地域数学模型，然后依据模型建构目标函数，并在约束条件下选择适当的算法进行优化处理。目前常用的感知模型分为两种：二元感知模型和指数感知模型。

（1）二元感知模型

（2）指数感知模型

其中P_i是感知概率，其功能是确定网络节点所在的感应区域内的目标，d（i，j）是感知半径，其功能是确定节点与目标之间的空间距离。模型②中α和β是反映智能传感器本身具有的物理参数特性。

两种感知模型中的节点i在没有相近节点存在时，节点i对感应区域内目标j的感知概率。但在某一节点旁肯定会存在相邻节点，从而导致相邻节点及节点本身的感应区域互相交叉的现象，这样会出现感知概率互相影响。

假设节点i存在N个相邻节点，则重叠区域为：M=R（i）nR（n₁）nR（n₂）n……nR（n_N），其中n₁，n₂，……，n_N为节点i存在的N个相邻节点。R（n₁），R（n₂），……，R（n_N）是节点i及邻近节点的感应区域。

若每个感知目标互相独立，则M个节点中任一点的感知概率用公式③计算：

但实际工作中，若将公式③作为优化的目标函数，需要将目标区域抽象成两维的平面结构进行优化处理，同时需要配合约束条件有：（1）所有智能节点网络地位平等且不自由移动，各个相关联节点具有相同的初始能量及通信能力。（2）目标区域全部覆盖。（3）随机分配智能节点，使用该算法前，全部节点休眠。

5 结语

利用物联网技术构建煤矿安全监控系统，能够充分发挥无线通信传感网的优势，该系统组网快捷，使用灵活、方便，并能够实现视频、音频、告警信息、路线追踪定位等多种功能，为工作人员提供了优良的安全保障，有较高的应用价值。