面向煤矿安全的智能监控及预警系统设计

引 言

煤矿安全关系到矿工的人身安全，煤矿安全问题是工业生产一直关注的重点问题。煤矿开采多为地下工作，面临着光线差、有毒气体易超标、顶部压力大易塌方、粉尘浓度大、空气潮湿、区域狭小易变形等多种危险问题，如何进行安全开采受到社会各界的关注。应用于煤矿井下的远程监控系统以及对井下实时状况进行危险度分析的预警系统是保障煤矿安全的重要辅助手段。

针对煤矿井下生产面临的易爆、易腐蚀、事故多发、现有监控死角较多的情况，本文系统借助最新的信息化技术，从煤矿井下安全出发，将基于 ZigBee 的物联网技术、多数据融合技术、数据挖掘技术、分布式数据处理技术应用于煤矿井下的数据采集、无线传输和有线传输相结合的数据传输、数据的分析处理、实时监控和预测分析，并在多种平台的终端上进行可视化呈现。

1 智能监控及预警系统整体结构设计

本文系统主要实现对煤矿井下实时环境的多参数检测， 实时监控采集过程，有毒气体超标实时报警，采用多数据融合技术以及数据挖掘技术对多种环境数据进行实时数据关联分析，并将分析结果以人性化的方式在移动终端及 PC 机上进行可视化呈现。当分析结果超过预定值时，则报警。此外，系统具有反向控制功能，根据分析结果可以控制相应的设备工作， 当温度、湿度、瓦斯浓度等超过额定值时，启动对应设备进行安全预防。矿井下智能监控及预警系统整体结构如图1所示。

按照系统的网络构成可将系统分为三部分，即井下基于ZigBee 的无线传感器网络，井上由网关、任务管理器及服务器构成的 Ethernet 网络，通过远程网络在智能终端及 PC上进行可视化呈现的 Internet 网络。由数据备份中心进行数据备份， 由数据处理中心对多种传感数据进行关联分析。

1.1 井下基于ZigBee的无线传感器网络

由于井下环境恶劣、湿度较大，若在井下采用有线网络， 线路易腐蚀及折断。ZigBee 作为物联网技术的新型关键技术[1]，具有低成本、高稳定性、易扩展、易布置、组网简单等优点，适用于地形复杂、环境恶劣、检测有死角的监控领域。所以本文系统在井下采用基于 ZigBee 的无线传感器自组织网络，拓扑结构采用环形网以及星型网，传感器终端节点自组织快速形成无线网络。

1.2 井上 Ethernet网络及 Internet网络

FFD 设备采集到的数据经多跳路由后传输到汇聚节点， 在井上部分采用有线传输方式，汇聚节点通过以太网将采集到的数据通过网关发送给任务管理器，任务管理器具备一定的存储计算能力。本文系统针对大型矿井采集数据量较大，需进行实时数据联动分析并预测评价的特点，特在本文系统中通过服务器模块进行数据库操作及程序运行。

对于信息量较大且具有保存价值的数据，可通过互联网将其上传到数据备份中心进行备份存储。对于关联分析给出的可视化结果，可通过互联网、移动网络等发送给远程观测的智能终端及 PC 端。反向控制部分操作可由服务器程序自动进行，部分操作可通过远程终端人为控制，或通过与井下工作人员的通信手动控制。

2 基于 ZigBee的无线传感器网络硬件设计

基于 ZigBee 的无线传感器网络主要由终端节点、汇聚节点、网关以及任务管理节点组成 [2]。终端节点由影响煤矿井下安全因素的相关传感器节点组成，通过多种类型的传感器对煤矿井下的瓦斯、烟雾、CO、温度、湿度、粉尘、风速、顶板压力等环境因素进行实时数据采集。终端节点的布置包括放置于固定检测点的固定节点，以及置于井下工作人员头灯上的移动节点。鉴于井下环境恶劣，传感器易损坏，区域狭小， 节点易更换的情况，无需过多考虑节点能耗问题，所以本文系统全部采用具备数据转发功能的 FFD 全功能设备，不再使用RFD。ZigBee 终端节点硬件设计如图 2 所示。

ZigBee 终端节点采用 CC2530 片上系统 [3]，底层基于IEEE 802.15.4 标准，应用层可基于 TI 公司的 Z-Stack 开发。CC2530 是 CC2430 的升级版，在 FLASH 大小、MAC 定时器信道及大小、封装尺寸、可操作温度等方面都有所提升，可 与 8051 单片机兼容，能以低廉的成本快速构建强壮的无线传感器网络，具有系统可编程的 256 B 闪存、8 kB RAM、8 通 道 ADC 以及 21 个 GPIO 口。只需要一个晶振就可满足网状网络系统组网要求，且自身功耗低，方便接入多个传感器及外围电路。

ZigBee 网络汇聚节点硬件设计如图 3 所示。汇聚节点具有数据收集及转发功能。本文系统采用有线通信和无线通相结合的方式，体现在汇聚节点的通信模块上，是井上、井下网络的衔接点，与井下传感器构成无线传感器网络，与井上设备构成井上以太网网络。处理器使用 Silicon Labs 公司设计生产的C8051F126，其具有 50 MIPS 的 CPU，12 位 ADC，片内集成 JTAG，集成度高，可便捷地进行在线调试。

                                                                                                                                                                    图 3 ZigBee 网络汇聚节点硬件设计

3 智能监控及预警系统功能设计

服务器数据处理中心首先将采集到的原始数据写入原始数据库，对不同类型的数据进行数据分离，得到 CO，CH4，粉尘，温度，湿度等实时传感值；然后通过特定的最小支持度与置信度支持寻找最大的关联数据频繁集，进行关联规则挖掘 ；再根据预先设置的安全报警值，对矿井下的实时环境进行评价， 得到预测结果。

监控软件安装于 PC 端及智能终端。PC 端具有对关联分析结果进行可视化呈现，绘制分离得到的实时数据曲线，数据查询及导出，显示节点状态、节点位置 [4]，及时通知救援等功能，并可输出响应指令对负载设备进行控制操作。PC 端监控功能如图 4 所示。

4 结 语

从矿井安全生产出发，本文提出了一种智能监控及预警系统设计方案。系统从网络构成方面可分为基于 ZigBee的无线传感器网络、井上 Ethernet网络和井上 Internet网络 ；从通信角度考虑，可分为井下无线通信和井上有线通信。采用实时数据关联分析，将结果以人性化方式呈现在 PC端及智能终端， 监控侧可向负载设备发出控制指令。