基于物联网的远程煤矿安全监测系统

基于物联网的多层次远程煤矿安全监测系统
摘要：煤矿安全信息远程监测系统正变得越来越复杂，对数据的实时性、完整性和正确性，尤其是对实时数据响应的快速性、对监测环境的远程遥控能力提出了更高的要求。

文章介绍了一种基于物联网的多部门、多层次煤矿安全信息远程监测系统，较为详细地介绍了系统的总体设计、软硬设计、数据传输程序设计及信息安全设计等。

该系统具有数据传输实时、完整、正确、遥控性能较好、数据处理和存取快速、系统可扩充并灵活支持扩展应用等特点,便于管理层快速、及时、准确地获取生产数据，提高决策科学性。

1. 概述
煤炭作为我国重要的能源之一，在国民经济发展中有着至关重要的地位。

然而，在我国煤矿企业管理过程中，安全问题尤为突出。

安全与生产的关系是相辅相成的，只有创造一个稳定、安全的生产环境，才能保障更高的生产效率，才能带来更多的经济效益。

安个与生产的问题不只是煤矿企业高度重视的对象，所有的矿山开采企业都必须认真考虑。

传统的人工苦力开采己经不再存在，智能化开采技术已经实现部分环节由机器设备代替人工，这也是减少矿一山事故人员伤亡的措施之一。

随着矿山开采深度的增加，高地应力、高温等问题也随之而来，使开采作业遇到一系列难题，这就要求智能技术必须不断的提高。

现如今，基于数字化、信息化与集成化，对井下部分作业过程和环境状况进行实时监测、分析，实现了计算机网络管理智能化。

引入物联网技术，应用到矿山安全管理过程中，通过嵌入在各种设备中的传感器采集其运作信息，并对这些信息进行处理和共享，实现煤矿企业所有工作人员之间、工作人员与运转设备之间及所有运转设备之间的智能化管理，打造一个先进的智慧矿山。

物联网在矿山方面的应用发展正处于初级阶段。

2010年3月，徐州市提出基于矿区智能化的“感知矿山”的概念，政府与中国矿业大学合作建立了感知矿山工程研究中心，成为物联网应用的一个重要研究领域。

它通过物联网技术，实现对真实矿一山的可视化、智能化和数字化。

其目的在于将矿山的地理、地质、生产、安全管理、产品加工、运销等各种综合信息进行数字化，将感知、传输、信息处理及智能云计算等物联网技术与现代采矿、矿物加工等技术相互紧密结合，以实现详尽地动态地描述并控制矿山生产与运营的安全过程，解决矿山瓦斯爆炸、透水事故等各种灾害预防的难题。

“感知矿山”不仅能够提高矿山的安全管理水平，它更多的是能够增加生产，利用信息、网络等技术感知并监控矿区运煤皮带、煤仓、变电站等各个生产相关系统，很大程度上提高了矿区的自动化生产水平。

实施“感知矿山”的重点是将与安全生产相关的感知层设备接入网络。

在矿区建设生产过程中，所使用的传感器生产厂商不一，协议接口也就不一致，更甚者，在早期建设的项目中，有些设备是没有智能接口的。

总之，全而感知矿山的基础就是将设备全面接入传感网络对矿区进行多层次实时监测。

2. 系统组成
系统总体采用分布式架构，将视频监控与语音对讲等数据采集和通信系统结合，实现系统内预警、报警与视频监控、数据采集及控制系统的联动，提高矿井的安防水平和快速反应能力。

整个远程监测系统采用井下分控、矿区总控、各级安全监管机构三级构架组成的多层监测模式。

各级安全监管机构可实时查看所辖矿区的安全生产情况数据。

每个矿区设一个总控室对各矿井进行管理，各矿井设分控室对应矿井内各种传感数据进行分析和管理；
传输网络：各级安全监管机构和各矿区之间通过监控专网连接；各矿区内分控与总控之间采用专用IP网络连接；
前端系统：分控室前端采取模数结合、集中编码的方法，按自成系统、独立管控（含控制、存储）的要求来构成。

前端系统能独立完成安防及数据采集系统的所有基本功能。

总控系统：由于前端系统功能较强大和完善，总控系统就显得相对简单，总控室的任务可根据实际现场情况向更重要的目标转移，使系统更具针对性和实用性。

本设计采用网络监控、VGA上墙，屏幕墙采用两个由4×46寸液晶屏的拚屏屏幕墙；
传感器系统：分控部分集成了瓦斯、压力、光纤（用于监测顶板应力、应变、弯曲、裂缝、蠕变及位移等参数变化）、漏电检测传感器、温度、气体、湿度等等多种传感器，实现对井下生产运行数据的全局监控。

对讲系统：总控室与岗楼、门卫值班室、各分区分控室配备相应的对讲系统。

系统为总线制的二级网联结构，具备全双工呼叫对讲、任意一点一址监听、任意一点一址（或多址、全址）广播、与视频的联动报警等功能。

2.1 硬件系统设计
井下分控单元需要将各个传感器采集的数据进行基本处理和传输，根据这一需求和井下具体环境的影响，本文采用基于ZigBee的无线传感器自组织网络技术，已经不同传感器应用形式和环境，将井下传感器均做成传感器节点的形式实现数据采集与基本处理功能。

基于ZigBee的传感器单元硬件组成如图2所示，包括电源模块、无线收发模块、接口电路、串口模块、传感器、微处理器等。

考虑到zigBee模块要需要安装ZigBee协议栈，微处理器需要自带一个一定容量的可编程flash存储器，因此ZigBee模块的微处理器需要采用8位或
16位的高性能单片机。

2.2 软件系统设计
传感器单元的软件设计主要包括，模块的定义、系统参数初始化设置和模块功能实现三个部分。

模块定义主要根据应用要求定义模块是FFD还是RFD，从而确定节点的性质和软件内核的规模。

系统参数初始化主要进行协议栈的配置，参数初始化流程如图3所示。

首先定义系统的时钟信号，然后定义ZigBee芯片所连接的MCU类型和型号，接下来定义通信模块性质，即通信模块是全功能节点还是精简功能节点，再接着定义模块的工作频率和电源管理方式及ZigBee网络层和MAC层的参数，如网络地址、节点所属接口、集群等。

3. 安全策略
ZigBee采用了分级的安全性策略:无安全性、接入控制表、32比特AEs和128比特AES。

如果系统是用于安全性要求不高的场景，可以选择级别较低的安全措施，从而换取系统成本和功耗的降低;反之，在安全性要求较高的应用场景(如军事)，l丁以选择较高的安全级别。

这样，厂l衍可以综合考虑功耗、系统处理能力、成木和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。

蓝牙协议在基带部分定义了设备鉴权和链路数据流加密所需要的安全算法和处理过程。

设备的鉴权是强制性的，所有的蓝牙设备均支持鉴权过程，而链路的加密则是可选择的。

蓝牙设备的鉴权过程是基于问询一响应模式和共享的加密方式。

为了使蓝牙链路的数据流具有隐蔽性，可以使用1比特的流密码对链路进行加密。

密钥大小随着每个基带分组数据单元传输而改变。

加密密钥可以从对设备鉴权中得到。

这意味着，在使用链路加密之前，两个设备之间至少已经进行了一次鉴权。

密钥的最大长度为128比特。

4. 系统特点
（1）对煤矿进行多部门、多层次立体网络式监管，显著增加各种违规操作的成本，进而提高煤矿安全监管水平；
（2）利用ZIGBEE技术，形成矿区局部自组织传感器网络，实现对矿区各项监控指标的实时立体监管；
（3）考虑国家能源信息的敏感性，建立了多种信息加密机制，提高整个监测网络的安全性能。

结束语
本文面向煤矿，利用物联网技术建立了多部门、多层次的远程安全监测系统，设计并开发了整个系统的软硬件平台，初步对系统的准确性、可靠性和稳定性进行了验证，结果标明达到了精度及稳定性的要求。

由于单片机的扩展性，该系统未来还可根据被检测对象的实际需求配置不同的生理数据采集终端，具有很强的灵活性和适应性。