基于矿区安全性考量的M2M技术矿区环境监测平台设计

来源:用户上传      作者:程红英

　　摘 要：采矿是一项风险活动，当涉及到地下矿井时，风险因素更是呈指数增长。本文阐述了无线传感器网络，物联网M2M 技术和云服务器在优化采矿业安全性方面的作用。在这项工作中，介绍了一种基于M2M 技术的矿区环境监测平台的设计方案，一个由传感器网络组成的监控系统，可以在工业环境中使用物联网M2M 技术概念将数据发送到云，并从任何地方远程访问数据，以分析数据并生成警告信号，提前避免灾难的发生。
　　关键词：物联网;M2M技术;安全性;矿区环境;监测
　　1 绪论
　　在工业中，危害主要分为六类：1）生物危害，2）安全隐患，3）工作组织危害，4）物理危害，5）人体工程学危害，6）化学危害。摆脱这些危害，特别是针对避免工业中的安全和化学危害被视为工业生产非常关键的因素，因为这些危害发生在可能对工作人员和机器造成损失或损坏的情况。这些类型的危害在矿山工业中更为重要，因为主要关注的是在危险条件下工作的人员。特别是在这些行业中发生的动态危害范围越来越大，特别是采矿业的工人面临恶劣的环境。从19世纪到21世纪，据某媒体报道，发生了大约50起矿难事故，近8382人死于这些煤矿事故。此外，当涉及到地下矿井时，风险因素也会增加。这些事故发生在矿山，主要是因为屋顶塌陷，二氧化碳蓄积，地下水涌水，甲烷和冷尘爆炸等。因此，开发一个预警系统，可以提供准确的预测和检测，避免灾害发生。物联网技术，预测算法和人工智能等先进技术为寻找能够保证危险行业安全工作条件供了更大的支持。主要是，物联网技术改变了行业，在生产和安全方面提供了更准确和更好的优化。
　　2 M2M技术在矿山环境监测的应用现状与背景
　　物联网的核心技术是机器之间的互联互通，即M2M（Machine To Machine）。在物联网M2M 技术中，远程访问，机器对机器和云等功能对工业自动化来说并不陌生，这些连接的设备已经存在。在物联网中，除了数据之外，还存在革命性的问题。在物联网中，事物之间的连接是路由连接，而在物联网M2M 技术中，它是结构化连接。物联网M2M 技术涉及网络的更高准确性和清晰度，这导致了安全系统的标准提升。这些行业的主要焦点是建立一个可以提高工人安全的预警系统。从20世纪开始，传感器网络在警报系统中起主导作用，并为改善地下矿井的安全方案提供了更好的结果。传感器节点保存在字段中以监控环境条件。传感器网络根据现场区域和所选应用提供拓扑灵活性。本文提出了一种由传感器网络组成的监控系统，可以在工业环境中使用，将数据发送到云端，可以从任何地方远程访问以分析数据。将来，该系统可以与预测算法和执行器集成，以预测可能发生的灾难并生成警告信号，以警告在矿井中工作的人员，以避免任何灾难性事件。
　　3 架构和系统概述
　　所提出的系统由一组传感器节点组成，这些传感器节点被放置在现场以感测环境条件。每个传感器节点由特定传感器组成，该传感器将感测该场中的各种参数。整个传感器节点的感测值将通过无线介质发送到网关节点。传感层的网络具有传感器节点，网关使用无线介质以星形拓扑连接。网关收集传感器节点感知的所有消息，并将该样本发送到云。可以监视存储在云中的数据。
　　物联网M2M 技术下提出的这种安全系统/方案始终遵循结构化架构。该体系结构以更精细和标准的方式显示系统概述。从系统实现的角度来看，本文提出的系统遵循三层架构模式：边缘层具有带网关节点的传感器网络作为边缘节点，允许从边缘到平台层的数据流，这有助于从边缘节点接收数据。企业层有助于最终用户连接，并包括域的特定应用程序。传感层的网络具有传感器节点，网关使用无线介质以星形拓扑连接。网关收集传感器节点感知的所有消息，并将该样本发送到云。可以监视存储在云中的数据。
　　4 具体实现
　　如系统概述中所述，边缘层中的星形拓扑传感器网络具有三个传感器节点，其具有MQ4，MQ7和FSR（强制电阻传感器），其为各个单片机板提供输入。每个节点都有一个传感器和微控制器以及模块通信调制解调器作为终端设备。网关节点具有NodeMCU和模块调制解调器，并充当协调器。模块调制解调器通过无线连接从传感器节点到网关节点的数据传输使用IEEE 802.15.4协议。为了找出/区分网关节点处各个节点的各个数据，将附加字段与传感器值组合，并且帧格式由四个字段组成。
　　在网关节点处接收的消息帧将被转发到云服务器。云服务器和网关之间的通信是无线的，并且使用轻量级IoT协议MQTT（消息队列遥测传输）。MQTT优于HTTP的优点是：与5字节到12字节的消息帧大小相比，MQTT具有较低的标头大小2字节，而HTTP具有更多标头大小的開销。MQTT提供三种类型的服务质量（QoSO：最多一次，QoS1：只有一次，Qos2：不定）。与CoAP等其他IoT协议相比，MQTT是基于TCP的协议。因此，CoAP是基于UDP的协议。AWSIOT服务收到的消息由Amazon Web Services（AWS）提供。WS是一种IaaS（基础架构即服务）模型，提供硬件虚拟化和存储设施，用户可以在其上构建自己的基础架构。接收到的数据可以在AWSIOT创建的对应物的阴影窗口中发布。已发布的数据可在监控单元中查看。
　　5 结论
　　综上所述，环境状况在工农业生产、国民生活等领域的重要作用日益显著，如何对其进行有效监测是一项有意义的课题。随着无线通信和网络技术的发展，在本文中，介绍了使用物联网概念的工业环境监控系统的详细信息。基于M2M 技术的矿区环境监测平台是一个由传感器网络组成的监控系统，可以在工业环境中使用物联网M2M 技术概念将数据发送到云，并从任何地方远程访问数据，以分析数据并生成警告信号，提前避免灾难的发生。
　　参考文献：
　　[1]马春光.基于物联网技术的煤矿安全生产管理研究[J].信息与电脑（理论版），2018（08）：153-154+157.
　　[2]黄伟.物联网和大数据及云计算技术在煤矿安全生产中的应用研究[J].电子世界，2017（18）：88.
　　项目支持：陕西省教育厅专项科学研究计划（基于M2M技术的矿区环境监测平台研究18JK0934）
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