基于物联网的矿井瓦斯及人员动态监管系统设计与应用.pdf

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1、2011年8月矿业安全与环保第38卷第4期基于物联网的矿井瓦斯及人员动态监管系统设计与应用陈鸿(重庆电子工程职业学院，重庆401331)摘要：针对煤矿恶劣环境以及矿井瓦斯监测、井下人员定位的现状，采用物联网技术，设计了一种瓦斯及人员动态监管系统。该系统由井上井下网络两部分组成，包括监控层、数据传输层、无线传输层、环境感知层，可支持从现场到监控中心的信息交互。采用两层网络结构，顶层骨干网可满足语音、视频等大容量信息传输对网络带宽、传输速率的需求；底层接入网负责传输环境信息。应用实例表明，该系统运行稳定，具

2、有良好的实时动态监测跟踪功能。关键词：物联网；瓦斯；井下人员；定位中图分类号：TD76文献标志码：B文章编号：1008—4495(2011)04—0028—03煤矿井下采用固定式瓦斯传感器，已不能实现对下人员动态传至地面控制中心的动态监管系统，对矿井瓦斯的实时动态全覆盖监测，无法了解井下人员节点进行定位，实现瓦斯与井下人员的动态监管。所处的任何位置的实时瓦斯浓度值，不能对井下人员1系统架构的安全进行实时监管和跟踪。因此，煤矿急需能够延伸井下人员的感知范围，采集各种环境传感器、视频、动态监管系统主要由井上

3、和井下网络两部分组语音等多模态信息，对瓦斯浓度、井下人员等进行动成，系统架构如图1所示，至上而下分别是监控层、态监管，以增强煤矿安全生产监控能力。煤矿井下空数据传输层、无线传输层、环境感知层，可支持从现间狭窄、巷道复杂、环境恶劣，GPS、北斗等卫星定位系场到监控中心的信息交互。现场通信采用两层网络统难以在矿井等室内发挥作用，现有的定位跟踪技术结构，顶层(无线传输层)为骨干网，采用802．11g无大都基于地面特定的环境提出，环境恶劣的矿井受节线通信协议搭建，可满足语音、视频等大容量信息传点计算、通信、存储

4、、能源等硬件资源配置限制，难以输对网络带宽、传输速率的需求；底层(环境感知层)实现井下全方位跟踪定位，传统的定位系统与技术难为接入网，采用802．15．4低功耗无线通信协议构以直接应用于矿井。然而，随着物联网技术的迅速发建，负责传输环境信息，降低系统成本以及节点展，借助物联网技术来解决瓦斯气体的动态监测和井功耗下人员动态监管这一难题出现了可能。物联网¨是将射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFD)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何

5、物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。针对这种情况，动态监管系统基于物联网的概念，构建无线通信网络，解决瓦斯监测全覆盖和井下人员定位。通过无线数据通信网络实时将瓦斯浓度、井收稿日期：2011—03—26；2011—06—28修订基金项目：重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJl12202)作者简介：陈鸿(1962一)，女，重庆人，硕士，副教授，主要从事计算机控制方面的教学与科研工作。E—mail：cqcetchenhong@163．eom。图1系统

6、构架示意图．28·2011年8月矿业安全与环保第38卷第4期1．1监控层该层是系统的最高监控层，监控中心负责整个o——(．)系统设备及监测数据的管理、定义配置、实时数据采图2移动节点定位示意图集、分析处理等任务，通过传输接口向井下现场发送根据布尔传感模型，传感器的感知范围在二维配置、巡检、控制等指令，还可实现瓦斯浓度、瓦斯突平面通常被抽象为一个圆面，在感知范围内的事件出异常诊断，实时跟踪煤矿井下现场状况并且对监都能被可靠的感知到，在感知范围外的就完全无法控现场下达指挥命令。感知。为了降低策略计算开销，将

7、典型的节点通信1．2数据传输层模型离散化，抽象为离散通信模型_4J，即以节点为中该层与无线传输层进行现场无线通信，并通过心的正四边形区域S=I12(Z=2r，为传感器最大以太环网与监控层通信；主要负责接收无线传输层、感知半径)，如图3所示，若有m个节点检测到移动环境感知层传输的视频、语音、环境传感器等多模态节点i，其位置必然处于这些节点通信范围的交集信息，并向这两层发送控制指令。内，利用离散通信模型可以计算出移动节点发生位1．3无线传输层置的区域范围(A)，如图4所示，几何关系可表达为该层由佩戴标识卡的

8、井下人员组成多个移动节式(1)，进而通过质心法求得事件发生的位置(，点，通过移动节点实现在不同的地址测点，读取测点Y)，见式(2)。的地址信息，同时保存检测此地址的瓦斯浓度值，以及此时的时间信息，监测到的地址信息、瓦斯数据和时间信息等无线数据，及时寻找就近节点，利用无线传感器进行无线传输，实现数据传输层以及其他移动节点进行多模态信息(井下人员信息、环境传感器信息、语音信息、视频信息)交互，实现人员定位；同时还充当系统接入网(环境感知层)的动