煤矿安全生产监测系统研究与改进对策
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作者: 齐 稳
摘要 中国能源需求持续增长，但是煤炭开采量和各种煤矿事故仍然居高不下，从而给国家财产和矿工生命造成巨大损失。为了应对国民经济的高速发展，同时继续发展煤炭开采产业，煤矿安全工作正成为全国工业安全生产的重中之重。
关键词 煤矿安全；监测；改进
中图分类号TD1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）34-0034-02
1 多功能瓦斯气体传感器网络节点设备
研制基于无线传感器网络技术的传感器网络节点包涵了多种科学技术，其中包括传感器、嵌入式系统、无线通信、自动控制以及微电子技术等。传感器网络节点的功能是能够完成实时监测环境对象信息，并将采集的数据进行实时处理并以无线方式经过基站传输到远程服务器，把信息提供给网络上的终端用户以实现实时监视以及控制。本项目研究和开发的多功能无线传感器网络节点具有低功耗的高性能、高可靠性、长传输距离等特点，支持面向井下煤矿行业应用的多通路传感器以及特殊需求功能的集成。
研发传感器网络节点，第一步要从硬件着手设计传感器网络节点的系统架构以及每一个单元部分的功能，节点应具有低功耗、可重构和高稳定性等特点；根据节点的特性对嵌入式操作系统进行裁减优化，利用最小的CPU占用率对节点进行全面控制。
普通传感器节点具有功耗低，在节点全功率工作发射数据状态下功耗可以控制在50mW以下，在接收信号状态下功耗控制在25mW以下，在节点进入休眠模式后功率可以控制在15mW以下。
节点具有通信距离远特点，传感器节点之间通讯距离在开阔地可以达到300m以上，在室内可以达到50m~100m，在井下也可以达到40m~60m；节点体积相对较小，传感器节点体积可以控制在3cm×5cm×2cm以内；节点可进行实现远程控制，可以在远程控制端对节点进行远程管理，改变网络节点的工作方式和功率等；集成了多种类型传感器以及特殊功能要求（如定位），同时可以对环境进行综合判别；软件设计采用了嵌入式软件操作系统，具有体积小、效率高和稳定性强等特点，同时由于该系统的设计采用了模块化的设计方式，因此具有裁减性、方便修改和易于维护等特点。
2 移动井下人员定位技术和定位功能模块
井下作业人员的流动性大以及工作环境复杂，一旦事故发生，井下人员的确切数量以及每个人所处的具体位置都很难确定，从而给营救工作带来极大困难，常常会延误营救的最佳时机并造成严重后果。另外，一旦意外事故发生遇难人员的具体位置不能确定，导致发生被困人员生死不明的情况。同时，为了避免挖掘中对人员的伤害便不能使用大的机械设备进行救援，从而导致救援进展缓慢。如果能够确定井下工作人员的确切位置便将会大大加快救援的进度，这样就有可能营救出更多的人员，从而把损失降到最低的限度。
1）系统定位方法和定位模块
井下定位系统的采用集中的定位方式由管理中心进行定位。定位步骤如下：首先布设网关和参考节点，保持网关之间的距离，再布设一些位置已知的参考节点保证每个移动节点至少要处于多个参考节点的射频信号覆盖范围之内。
欲定位时首先确定当前节点相对于参考节点之间的位置，因参考节点的位置把移动节点相对参考节点的位置和参考节点的绝对位置相加，即可得到该移动节点的绝对位置。具体定位步骤如下：
首先进行移动节点的相对定位来确定移动节点相对于参考节点的位置。采用的测距技术为无线电信号强度和无线电信号覆盖关系相结合的技术。
RSSI测距是指无线射频通信时，节点所接收到的射频信号强度是随距离衰减的，采用信号强度随距离衰减模型并不增加额外装置。
距离测量是节点定位时，通过检测相邻参考节点的无线信号强度来计算它们信号强度之比，利用RSSI计算出该员工到多个参考节点的距离。
位置计算指的是移动节点根据所计算得到的距离值，根据两点、三边以及三角测量法等方法，计算出该节点距离最近的网关的二、三维距离，从而实现了移动节点相对于参考节点的定位。
移动节点把得到的相对于参考节点的位置值传送到网关，然后，加上自己的位置信息传输到网络管理中心，管理中心的计算机根据移动节点的位置和网关的位置就可以确定该移动节点在井下的绝对位置便实现移动节点的精确定位。
2）基于无线传感器网络的井下人员实时定位系统
目前，井下定位一般采用射频识别卡（RFID）的方式。员工随身携带写有唯一编号的电子射频识别卡，巷道的询问装置发射询问信号接收员工电子识别卡的应答信号从而实现员工的定位。这种定位系统存在诸多问题，首先是定位精度低，它的定位精度取决于巷道询问装置间的距离，一般的电子识别卡定位方式中巷道询问装置的距离是几十米的量级定位精度，不能精定位便对于紧急情况的救援只能提供有限的帮助。另外射频卡一般是被动卡，从而只能应答固定的询问。在发生意外时员工仅仅依靠电子识别卡仅能确定事故发生之前的大概位置而不能与巷道询问装置进行双向通信。
3 用于煤矿生产安全实时监控子系统管理平台
基于已有的通用管理信息系统，针对煤矿生产安全监控的特殊需求为煤矿管理者定制开发一个监控管理信息系统，该系统具有用户认证数据管理、数据查询以及实时监控等多项功能。配置了针对矿井应用的专用无线传感器网络，用于数据管理的数据库服务器和便于信息共享的Internet服务器。适用于各类气体以及人员位置监控的现代化管理系统。本项目中的监控系统能够提供基于GIS的和采用自定义条件方式的查询、统计和报表功能。提供对所有监测信息的数字信息、图像或视频的实时监视。整个监控系统采用模块化的设计方法，能够随着需求的变化增加新的功能从而不断地进行完善具有良好的可扩展能力。
4 技术趋势
传感器网络有着巨大的应用前景和发展空间，被认为是将对21世纪产生巨大冲击的技术之一。传感器网络以一种新的无处不在的主动式计算模式推动科技发展和社会进步已成为国家竞争的焦点，从而关系到国家政治、军事和社会安全等诸多方面。发展具有自主知识产权的传感器网络技术，完成推动新兴传感器网络产业化的跨越式发展，对于我过在21世纪的国际战略地位具有领先地位至关重要意义。
传感器网络综合了传感器、计算机嵌入式、分布式信息处理和通信技术等多个领域，无线传感网络的发展既对各行业各学科的发展可以起到推动作用，但又强烈地依赖于各行业各学科的技术支撑。
参考文献
[1]钱春丽，张兴敢.用于矿井环境监测的无线传感器网络[J].电子技术应用，2006(9).
[2]温洁明.无线网络技术在远程工程测试中的应用[J].装备制造技术，2007(9).
[3]李文江，于宁，田力勇.基于超宽带技术的无线传感器网络[J].辽宁工程技术大学学报，2006(S2).
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