煤矿瓦斯无线监测技术研究现状及发展趋势

科技信息　０本刊重稿ｏ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１２年第２９期　

煤矿瓦斯无线监测技术研究现状及发展趋势　

徐振峰尹晶晶　

（安徽国防科技职业学院机电工程系安徽六安２３７０１　１）　

【摘要】首先，简要介绍了近两年我国瓦斯事故状况。然后，介绍了无线传感器网络及其在瓦斯监测方面的研究。最后，指出了瓦斯无线监　

测网络的发展趋势　

【关键词】瓦斯；无线传感器网络；无线监测；低功耗　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｍｅｔｈａｎｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　

ＸＵ　Ｚｈｅｎ－ｆｅｎｇ　ＹＩＮ　Ｊｉｎｇ－ｊｉｎｇ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕ’ａｎ　Ａｎｈｕｉ，２３７０１１，Ｃｈｉｎａ）　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｇａｓ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｔｗｏ　ｙｅａｒｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ａｔ　ｆｉｒｓｔ．Ｔｈｅｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　

ｏｎ　ｇａｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｇａｓ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ．　

（Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｇａｓ；Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　

１煤矿瓦斯事故概况　

瓦斯事故一直是煤矿安全生产的主要威胁．给国家和人民财产造　

成了巨大的损失。虽然近些年来．瓦斯监测技术不断发展。但瓦斯爆炸　

事件仍频频发生　２０１０年全国煤矿发生瓦斯事故１３５起．死亡５９３　

人：２０１１年全国煤矿发生瓦斯事故１１９起、死亡５３３人。其中，ｌＯ月　

２９日．湖南省衡阳市衡山县霞流冲煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成２９　人遇难：１　１月１０日．云南省曲靖市师宗县私庄煤矿发生煤与瓦斯突　

出事故，至少已造成２１人遇难。进入２０１２年以来．２月３日，四川宜　

宾市筠连县钓鱼台煤矿发生瓦斯爆炸事故．造成１３人死亡；３月２２　

日．辽宁省辽阳市灯塔市大黄二矿发生重大瓦斯爆炸事故，造成２２人　

死亡。瓦斯事故包括瓦斯爆炸事故、煤与瓦斯突出事故和瓦斯窒息事　

故．其中瓦斯爆炸事故在瓦斯事故中占有较大比例　瓦斯爆炸的主要　

原因是ｃ｝｛４（瓦斯气体的主要成分）与０　的浓度达到一定的界限以及　

存在火源点．如化学性火源、冲击性火源、电气性火源　目前．我国煤矿瓦斯监控系统多采用有线形式。移动不方便，只能　

在主矿道中应用　由于传感器不能灵活快速地跟进矿道的不断变化．　

由此造成了大量监控盲区．从而留下了安全隐患　而且随着开采深度　

增加，煤矿开采条件越来越复杂，瓦斯、地温、地压问题交织在一起，带　

来许多新的难题　与国外煤矿监测系统相比．我国煤矿监测技术与装　

备存在着水平低、事故隐患多、矿井防灾、抗灾能力差等诸多问题。为　

了有效避免瓦斯爆炸事故的发生．一方面．要加强矿井工人的安全意　

识教育：另一方面．可以将无线传感器网络技术应用于矿井采煤工作　

面等区域处的瓦斯监测．构建矿井瓦斯无线监测网络．作为现有煤矿　有线瓦斯监控系统的有益补充．来实现对整个矿井瓦斯浓度及其分布　

的监测．可以克服传统有线监测网络移动不方便、存在监测盲区等缺　

点。在该类瓦斯无线监测网络中．由分布在井下局部范围内的大量传　

感器节点实时感知、监测瓦斯浓度信息．并通过自组织无线通信网络　

将所感知的信息传送到无线网关．由网关和现有有线网络相连．以实　

现矿井中瓦斯浓度的实时监测与报警　

２瓦斯无线监测技术研究状况　

２．１无线传感器网络　

无线传感网络的基本思想起源于２０世纪６Ｏ年代末　在２０世纪　

６Ｏ～７Ｏ年代的美越战争中．美军为了切断北越部队向南方游击队输送　

物资的“胡志明小道”．研制了代号为“白屋”和“双刃”两个系列的战场　

侦察传感系统．并将这些传感器布撒在胡志明小道所在的密林中．取　

得了良好的监测效果【Ｉ＿　但真正具备现代意义的无线传感器网络研究　应该从２０世纪７Ｏ年代末算起．１９７８年美国国防部高级研究计划局　

（Ｄｅｌｅｎｓｅ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ａｇｅｎｃｙ，ＤＡＲＰＡ）提出了分布式传　

感器网络（Ｄｉｓｔｒｉｂｎｔｅｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓ．ＤＳＮ　计划．在卡耐基一梅隆大　

学成立了由多所大学组成的分布式传感器网络研究组．对分布式传感　

器网络中的通信和计算等问题展开了研究［２３　８０年代至９Ｏ年代末．　

ＤＡＲＰＡ又和美国军方设立了多项有关无线传感器网络的研究计划．　研究了多种无线传感器网络技术和系统．如ＷＩＮＳＩ３１（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　

Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｅｎｓｏｒｓ）、ＳｅｎｓｏｒｌＴ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、ＳｍａｒｔＤｕｓｔ　等计划　这些研究计划及其成果对无线传感器网络的初期发展起到了　

积极的推动作用．同时也引起了军方、学术界和工业界越来越多的关　注。另外．美国国家自然基金委员会ｆＮｓＦ）也布设ｒ大量相关项目　ＮＳＦ　

于２００３年制定了无线传感网络研究计划．每年拨款３４００万美元支持　相关研究项目．并在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中　

心　２００５年在网络技术和系统的研究计划中．主要研究下一代高可　

靠、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特　

性，资助金额达４０００万美元。此后美国交通部、能源部、美国国家航空　

航天局也相继启动了相关的研究项目　美国所有著名院校几乎都有研　

究小组在从事无线传感网络相关技术的研究。加州大学洛杉矶分校、　

加州大学伯克利分校、麻省理工学院、康奈尔大学、哈佛大学、卡耐基　梅隆大学等在无线传感网络研究领域成绩较为突出　国际相关学术会　

议中对无线传感网络的研讨增多．检索论文数目逐年以较大幅度增　

加。美国的Ｃｒｏｓｓｂｏｗ、Ｄｕｓｔ　Ｎｅｔｗｏｒｋ、Ｅｍｂｅｒ、Ｃｈｉｐｓ、Ｉｎｔｅ１、Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ等公　

司也开展了无线传感网络的研究工作　

其他国家如加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研　

究机构也加入了无线传感网络的研究　欧盟第６个框架计划将“信息　

社会技术”作为优先发展领域之一　其中多处涉及对无线传感网络的　

研究。启动了ＥＹＥＳ等研究计划。日本总务省在２００４年３月成立了　

“泛在传感器网络”调查研究会。韩国信息通信部制订了信息技术　“８３９”战略ｆ其中“３”是指ＴＴ产业的三大基础设施．即宽带融合网络、　

泛在传感器网络、下一代互联网协议）。在食业界，欧盟的Ｐｈｉｌｉｐｓ、　

Ｓｉｅｍｅｎｓ、Ｅｒｉｃｓｓｏｎ、ＺＭＤ、Ｆｒａｎｃｅ　ＴｅｌｅＣＯｍ、Ｃｈｉｐｅｏｎ等公司；日本的ＮＥＣ、　

ＯＫ１、Ｓｋｙｌｅｙｎｅｔｗ（）ｒｋｓ、世康、欧姆龙等公司都开展了无线传感网络的研　

究。　

国内于１９９９年中国科学院《知识创新工程点领域方向研究》的　

“信息与自动化领域研究报告”首次正式启动了无线传感网络方面的　研究．且为该领域的五大重点项目之一　２００１年中国科学院依托上海　

微系统所成立了微系统研究与发展中心．旨在引领中科院无线传感网　

络的相关工作　国家自然科学基金已经审批了与无线传感网络相关的　

多项课题　２００４年将一项无线传感器网络项目（面上传感器网络的分　

布自治系统关键技术及协调控制理论１列为重点研究项目　２００５年将　

网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划　２００６年将水下移动　传感器网络的关键技术列为重点研究项目．同年初发布的《国家中长　

期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了３个前沿方向．其中　

２个与无线传感网络的研究直接相关．即智能感知技术和自组织网络　

技术。２００７年启动了“传感器网络嵌入式芯片设计”等目标导向型项　

目．进行了传感器节点系统关键技术的研究　此外．科技部“十一五”科　技支撑计划也部署了相关示范项目．以促进传感器网络在环境监测、　

工业监测、医疗健康、智能家居和智能农、Ｉ　等领域的应用。在这些项目　

的资助下．国内许多高校和研究机构掀起了无线传感器网络的研究热　

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　２０１２年第２９朗　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ｏ本刊重稿。　科技信息　

潮．纷纷开展了相关的基础理论与应用研究　

２＿２瓦斯无线监测网络　

将无线传感器网络技术应用于瓦斯监测是一个新的发展方向．目　

前国内无线传感网络技术在矿井瓦斯监测方面的研究处在理论研究　

和实验室研究阶段　李文江等　提出了将ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络应用　

于煤矿瓦斯监测中的方案．硬件电路设计选择了ＣＣ２４３０无线收发芯　

片和ＭＪＣ４／３．０Ｌ载体催化元件．电源采用低压差稳压芯片ＲＥＧ１１３—３．　

为系统提供直流３ｖ的稳压电源。并介绍了基于分簇的路由算法．以　

降低网络功耗　杨景辉等［７１为解决传统煤矿安全监控系统有线传输形　

式在井下使用中的弊端　提出了基于ｚｉ　ｅｅ无线网络技术的监控系统　

的设计方案．设计了基于无线射频模块ＣＣ２４３０的节点硬件结构，分　

析了节点及上位机软件设计思路和方法。戚文革等　噪用ＡＲＭ微处理　器ＡＴ９１ＲＭ９２００、嵌入式实时性操作系统ｕＣ／ＯＳ　２　ｌＩ软件平台和　

Ｈｅｌｉｅｏｍｍ公司生产的基于ＺｉｇＢｅｅ无线通信协议的ＩＰ—Ｌｉｎｋ２２１—２１６３　

模块，设计了矿井监控无线网络控制器。杨梁等［９１采用符合ｚｉｇＢｅｅ协　

议的ＪＮ５１２１芯片和ＫＧＳ２２０低功耗瓦斯传感器进行了硬件设计．采　

用　［作／休眠交替方式来节省能量　陈斯等㈣采用ＴＩ公司的　

ＭＳＰ４３０Ｆ５４３７低功耗微处理器、ＣＣ２５２０无线收发芯片和ＫＧＳ型矿用　

瓦斯传感器，设计了矿井瓦斯无线传感器节点、路由器和协调器。雷霖　

等…噪用ＣＣ２４３０无线收发芯片、ＬＸＫ一３瓦斯传感器和温湿度传感器　

ＳＨＴ１　１．设计了煤矿瓦斯和温湿度无线传感器节点。韩忠等【一　没计了基　

于ＺｉｇＢｅｅ协议的矿井综采面无线传感器网络监测系统．协调器采用　

恩智浦公司的ＬＰＣ２４７８微控制器，传感器节点采用ＣＣ２４３０、ＫＧＳ一２０　

瓦斯传感器和ＳＨＴ１　１温湿度传感器。Ｈａｙｅｓ　Ｊ等【ｔ蚧绍了一种应用于　

垃圾填埋场处瓦斯监测的无线传感器网络。传感器节点采用的是金属　氧化物半导体气敏元件．进行实时监测。系统设计的目的是作为人工　

手持红外检测仪的补充　针对气体敏感元件是传感器节点的主要能耗　

部分．Ａｎｄｒｅｙ　Ｓｏｍｏｖ等【ｔ４１将催化元件改为二维平面结构（采用一个催　

化元件），并提出了一种微分气体测量方法．来节省传感器节点的能量　

消耗．大大延长了传感器节点的工作寿命（以甲烷气体检测为例．传感　

器节点的寿命从１８７天延长到６４１天）　Ｋ．Ａ．Ｕｎｎｉｋｒｉｓｈｎａ　Ｍｅｎ０ｎ等悯