煤矿现场无线传感器网络管理系统设计

煤矿现场无线传感器网络管理系统设计

王承贺

国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿内蒙古自治区鄂尔多斯市017209

摘要：对研究煤矿设备工作现场环境之后，采用结构更加简单、传输效率更高的无线传感器网络，建立了煤矿现场无线传感器网络管理系统，有效地监测了煤矿现场存在的不安全因素并及时进行处理，降低了对工作人员的生命威胁，也提高了煤矿设备的可靠性。

关键词：煤矿设备；无线传感器网络；多源信息融合技术

无线传感器网络是新型的传感器网络，同时也是一个多学科交叉的领域，与当今主流无线网络技术一样，均使用802．15．4的标准，由具有感知能力、计算能力和通信能力的大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自配置的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发给观察者。

一、无线传感器网络的组成结构

1．无线传感器网络体系结构。传感器节点经多跳转发，再把传感信息送给用户使用，系统构架包括分布式无线传感器节点群、汇集节点、传输介质(Internet或卫星通信)和网络用户端。节点通过飞行器撒播、人工埋置或火箭弹射等方式任意散落在被监测区域内。传感网络是核心，在感知区域中，大量的节点以无线自组网(ad-hocnetwork)方式进行通信，每个节点都可充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力，传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。

2.无线传感器网络节点结构。节点是无线传感器网络的基本功能单元，主要包括数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、无线通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、能量转换器)这4部分。数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，传感器用于感知、获取外界的信息，被检测的物理信号决定了传感器的类型，A/D转换器将物理信号转换为数字信号;数据处理和控制模块负责控制整个传感器节点的操作，微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式CPU;数据传输模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据;供电模块为传感器节点提供正常工作所必需的能量。

二、无线传感器网络的特点

作为一种新型的网络，无线传感器网络主要有如下特点:

1.电源能力局限性。节点通常由电池供电，每个节点的能源是有限的，一旦电池能量耗尽，节点就会停止正常工作。

2.节点数量多。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或盲区。

3.动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动;某个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行;也可能由于工作的需要而被添加到网络中。

4.自组织网络。在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道，如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理。无线传感器网络的自组织性还要求能够适应网络拓扑结构的动态变化。

5.多跳路由。网络中节点通信距离一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。

6.以数据为中心。传感器网络中的节点采用编号标识，节点编号不需要全网唯一。由于传感器节点随机部署，节点编号与节点位置之间的关系是完全动态的，没有必然联系。用户查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这是一种以数据本身作为查询或者传输线索的思想。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。

三、多源信息融合技术

多源信息融合技术这一概念最早出现于20世纪70年代，是为了满足作战时信息量大并需要及时处理而出现的，这一技术的出现大大提高了军队的作战能力。信息融合指的是将多种信息源的信息综合在一起，进行分析与评估，从而做出最合理的决策。多源信息融合技术最初的定义是数据融合，随着科学技术的不断发展，其意义已经不仅仅是数据融合，还包含了图形、模型、评估等的融合，这使得多源融合技术的应用更加广泛。多源信息融合主要包含3个层面的融合，分别是数据融合、特征值融合和决策融合，信息融合流程如图1所示。

多源信息融合的过程是在提取出传感器所收集到的信息后进行处理，在数据层进行分析与计算，在该层得出结论，为下一层的融合提供依据，特征值的融合也为决策融合提供基础。多源信息融合的每一层的信息是不一样的，前一层的融合为下一层提供依据。

四、煤矿现场无线传感器管理系统总体设计

基于无线传感网络的煤矿现场管理系统利用无线传感器采集工业现场的各种信息，并利用无线网络将采集到的信息传至计算机，将多台计算机作为服务器，通过数据分析得出系统的故障。无线传感器网络是将各个节点以一定的结构构造网络，通过传感器的终端节点采集设备的各种状态数据，并将这些数据上传至数据库。相比传统的总线传递，它结构更加简单，耗损的功率也更低，而且传输较稳定，因此故障率也更低。故障诊断技术是整个系统的核心所在，多源信息融合技术充分考虑了理论知识与实际经验的结合，有效提高了系统的可靠性。煤矿现场无线传感器网络管理系统在利用多源技术融合之后，充分考虑数据层、特征层和决策层3个部分的情况进行融合，再将其决策结果传至控制机，由控制机做出相应判断。其具体结构如图2所示。

五、煤矿现场无线传感器网络管理系统软件设计

1.无线通信软件设计无线通信模块主要有3层，第1层是物理层，主要由一系列的无线传感器以及无线网组成，负责采集信号；第2层是消息层，主要是接收物理层传来的各种显示系统状态的数据；第3层是应用层，包含系统的控

制机和管理中心，这是系统与外界的接口。数据采集是系统稳定运转的前提，在无线传感器的采集模块启动之前，需要将无线传感器安装在对应的采集点上，安装好无线传感器之后根据设定好的采集时间和命令对监控采集数据。

2.管理系统软件设计。煤矿现场无线传感器网络管理系统的不同用户在登陆界面后的权限不一样，可以查看的模块也不一样，用户在登陆后可以查询自己身份对应的模块。用户在查看完信息后可以利用经验知识库和专家库对系统的故障进行诊断，并利用经验知识库和专家库提出相应的改进措施，以提高系统处理故障的能力。

利用无线传感技术建立了煤矿设备管理系统，解决了有限传输维护困难、传输不及时的问题，为及时处理设备故障提供了有利条件，降低了煤矿现场工作人员安全事故发生的可能性。多源信息融合技术的使用提高了系统故障诊断的准确率。

参考文献：

［1］李涛.煤矿现场诊断感知与管理系统设计［D］.淮南：安徽理工大学，2014.

［2］丁月.基于无线传感器网络的电网现场作业管理系统的设计与应用[J].电力信息化,2010(05).