【摘要】物联网技术与移动通信领域的CDMA技术以及GSM网不同的是，物联网服务对象是工业现场自动化控制数据传输，这种技术简单，使用方便，工作可靠，价格低，采用物联网技术减少了井下人员数量减低了工作强度，有助于矿井的精确监控与矿井自动化的实现本文会从物联网技术传感检测系统的信号控制方面做一些探究与讨论。

【关键词】物联网技术;传感检测控制系统;系统构建

1.引言

与移动通信领域的CDMA技术以及GSM网不同的是，物联网服务对象是工业现场自动化控制数据传输，这种技术简单，使用方便，工作可靠，价格低，通常的移动通信网服务对象则是语音通信，移动通信基站的建造费用一般为数百万元，物联网基站估价则大约只有几千元左右。物联网网络节点能够通过连接的感知器进行数据收集和传送处理信息，在信号控制范围以内，物联网网络节点间可以和数个孤立的不承担网络信息中转任务的子节点进行无线连接。由于矿区地下通信的不便利导致覆盖盲区较多，并且矿井巷道地形复杂监测点多，需要较大的网络覆盖，采用物联网这种有高容量、高延展性、高可靠性的新兴无线通信网络技术非常适合应用在矿井复杂通信监控领域。

2.物联网无线通信传感技术的介绍

无线传感技术的微型感知器节点被部署在监视区域中，它由无线通信以形成一个多跳物联网网络的形成，感知器节点将监测的数据的内容和其它感知器节点的跳传输的特定信号最后的聚合到节点处。通过感知器网络管理节点的配置和管理，可以进行该节点的监视任务，也可以是收集的监控信息的工作。节点的网络数据传输模块可以比作一个共同的移动网络，在网络内的基站，网络数据传输模块的东西可以进行彼此之间的信息传递，并和每个网络节点之间的距离从75米延伸到后几百米，可以达到数公里之遥。此外，还有是一个整体网络的事情，物联网无线通信网的最大优势是它的能够和各种网络连接。

煤矿矿井中采用无线传输方式构建的无线感知器网可以避免传统的采用硬线连接，线路容易老化腐蚀磨损，故障率高，误报警率高这些劣势。并且无线数据传输避免了重新布线的作业，适应煤矿生产移动或变化的需要。

3.物联网网络拓扑结构

物联网网络拓扑结构有星型拓扑结构，集群树和网状结构三种。星型拓扑结构的节点和多个节点通信由于设计简单，星型拓扑结构是适合于室内小范围的应用，如家庭自动化，个人电脑周边设备。树形拓扑结构，其特点是它的对等对等网络和分层树路由机制。需要相互联系，在一个无限的辐射范围，如果它达到的通信要求，可以直接沟通。网络的拓扑结构是复杂特性的层次结构树中的点Z-AODV协议的路由，并在与航线的组合混合。

3.1 星型网络的形成

图1 星型网络

网络中心的协调，星形网络是一个显着的特点所有设备都可以和网络协调员进行沟通。在星型网络的形成过程中，首先是要确定网络协调，我们知道，每一个的FFD设备存在一个网络协调器和网络的上层协议的可能性决定如何确定自己的网络协调器。

激活一个FFD的移动设备时，广播查询网络协调器的请求的第一步骤，响应接收到的网络的网络协调器存在，并进一步通过一系列的认证过程，常见的设备在整个网络的设备的变化。如果认证过程是不成功的，没有收到相应的响应，FFD设备可以建立自己的网络，通过网络的进一步发展，为整个网络的协调。

我们知道网络协调器要为整个网络选择一个与之匹配的具有唯一性的标识符，而且几乎各个类型的星型网络中的设备都会用这个标识符来规范本身的隶属特性。但不同的星型网络设备之间也可以互相通信来完成，通过设置专用网关。在选择符合同规格的设备标识符，网络协调装置将被允许加入这些设备的匹配相关联的通信网络和服务。

如果两个星型网络设备互相通信，则相应的数据包被发送到相关联的网络协调器，然后由网絡协调器分别彼此接转发。

3.2 点对点网络的形成

和星形网络不一样的都是，区域点对点等网络通信并没有需要额外的设备来转发，通常在一个特设的网络环境下，双方设备他们彼此能收到对方的无线电通信信号，可以进行相互沟通，直接与对方之间接触。特别值得注意的是关系到一个ad hoc网络需要连接网络协调器，它的功能不是转发数据，主要是完成登记和访问控制设备和网络管理功能。

图2 簇树网络         图3 Mesh网络

在传送节点对传送节点构成的网络中，只要收到对方的无线信号任何两个设备，就可以通信，无需其他设备转发。但你仍然需要网络协调器件，但协调的功能不再是其他设备的数据转发，但要完成注册和访问控制设备等基本的网络管理功能。网络协调器所产生的相同的上层协议，例如，提供信道的通信设备，作为网络协议的移动设备与所述第一信道开始。点对点网络的一个特例就是簇树网络。

在这样的网络中的大多数设备是FFD设备，RFD设备正在使用中的连接到网络的群集树的叶节点。每个设备都可以作为一个FFD或RFD协调器的网络协调器的其他设备提供同步信息。但通常只有一个可以作为对等网络，整个网络的协调器。网络的协调员可能有更多的计算设备比其他任何显着的能源资源以及资源。步骤中，网络协调器的第一步是为他们的群集PAN不被使用，以形成一个网络的第一个簇中选择一个网络标识符，在同一时间的簇头。第二步是网络协调器开始广播信标帧。相邻设备收到信标帧后，申请加入该簇。由网络协调器决定设备可否成为簇成员，设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表一旦所做的请求被允许。通常新加入的设备一般会把簇头作为它的上级设备导入其邻近的列表中。

4.煤矿井下物联网无线网络的设计

4.1 物联网的网络设备的组成

物联网终端设备RFD设备属于物联网IOT协调员和路由器属于FFD设备。

IOT物联网网络设备，主要协调员，网络路由器，网络终端设备三部分组成。物联网协调员是启动和配置网络设备。保持间接寻址约束力的形式，和相关的支持协调员，协调员还可用于执行其他活动以及信托中心的协调员。通常情况下，每个物联网IOT只能配置一个网络协调。路由器是一种网络和支持相关的邮件转发给其他的设备装置。东西网或树型网络可以连接到多个路由器，但物联网IOT星型网络，但无法连接到互联网，物联网路由器。终端设备可以用来达到网络的东西的东西需要与其他设备进行通信。

它的存储器容量要求最少，功能相对简单。终端设备可以用来达到网络的RFD需要与其他设备进行通信。

4.2 煤矿井下无线网络的结构

传统的井下的网络主要由有线网络组成，由于煤矿安全系统控制范围的增大整个信息系统的扩展以及信息采集的灵活性的增强，物联网无线传输技术逐步代替了传统有线网络。

协调员将放置在原有的煤矿安全系统智能终端的有线网络连接串行通信，这样可以提供足够的IOT协调员电源。除了协调整个网络的协调，负责井口数据传输的数据画节点，然后在现有网络的基础上，将数据发送到地面系统。将物联网终端放置井下一线采煤技术人员以矿工身上，便于井下数据的一线采集，并且帮助地面管理人员清楚各个采煤工作面的人员位置。

物联网终端设备提供了一个简单，功耗低，携带方便，可长期使用简化功能设备，通过插件相关的感知器，可以快速，准确地收集，如CO浓度，甲烷浓度，温度井下工作面主要矿山生产数据。

每个工作组中安排放置一个物联网路由器有助于現场数据和协调器之间有效的数据交流更好的达到网络传输的效果。将煤矿生产一线的的数据最快地传输到地面监控中心，避免很多突发矿井事故的发生，保障了矿工的生命安全也确保了煤矿安全高效生产的要求实现了可观的社会以及经济效益。

图4 井下无线网络的大体结构图

5.煤矿井下物联网路由的建立

现有的煤矿安全监察系统，主要是通过有线的形式构成整个通信网络，实际应用中会遇到很多困难，尤其是在网络的可扩展性和网络的灵活性，也存在很多问题。

结合煤矿井下，矿井技术人员由于工作的需要无时无刻不在走动，身上携带的物联网节点在网络中移动，另外，随着煤矿下一水平的开采，势必会进一步引起网络拓扑结构的大规模动态性质的变化，每个节点间通过多条数据转发机制进行数据交换，必须借助专门设置的路由协议进行相关分组转发操作。煤矿的实际应用数据显示，在无线网络中使用一个自组织网络路由协议的的煤矿安全系统是理想事情，井下无线网络路由需要有效满足煤矿的实际无线网络的基本性需求。此协议hoc网络环境下建立的路由节点。通过监控网络拓扑结构的变化，更新和维护路由。

6.煤矿安全网络系统设计与集成

6.1 硬件设计

MC13192接收和发送集成电路模块支持星型和网络拓扑结构，包括IEEE 802.15.4物理层。

MC13192射频芯片有效的解决了煤矿中无线信号传输的距离短的致命缺陷，与此同时MC13192的单价只有大约3美元左右。通常开发套件包含一个完整物联网设计所需的全部网络协议栈，花费大约在200美元左右，为煤矿生产节省大量的资金。煤矿在安全方面的需求为了防止功率过大造成矿井爆炸事故，非常严格的要求各器件的输出和输入功率，MC13192芯片采用超低功耗模式，输出功率通常为0到3.6dbm，完全达到煤矿安全生产的要求。

在煤矿中，为了使2.4GHz频段的射频数据调制解调器MC13192、IEEE 802.15.4兼容性MAC软件，以及一颗低电压、低功耗的MCU-HCS08系列芯片兼容，采用了物联网-Ready平台。

图5 ZigBee-Ready平台

6.2 煤矿安全系统集

图6 煤矿安全监测系统网络结构图

煤矿安全监控系统，从地面控制中心，软件系统，地面网络系统，无线网络的地下矿山和各种感知器组件到中心网络安全体系。整个监控系统的核心是集中管理和控制运行传送数据给地面控制中心。它主要由系统管理服务器，监控主机，网络设备来完成。其中，用于监控主机运行的监控系统软件，可以把多台计算机组合成计算机网络，实现数据共享。

7.小结

必须要根据煤矿井下具体的作业环境，应用物联网技术设计煤矿中通信的路由，规划无线网络的拓扑结构，进行煤矿安全网络的硬件设计和系统集成。达到煤矿的自动化检测保证矿工的生命安全，确保煤矿安全高效生产以及经济效益的显著提高。

参考文献

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[2]吴民飞.煤矿井下监控和移动通信系统的开发和应用[J].山西大学学报，2008（09）.

[3]韦成明.基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究与实现[J].煤炭技术，2007.

[4]MT443-95煤矿井下环境监测用传感器通用技术条件[J].煤炭技术，2008.

作者简介：

陈国庆（1964—），男，广东兴宁人，大学本科，工学学士，副教授，高级技师，广西电力职业技术学院电子与信息工程系副主任，主要研究方向：电气自动化及节能技术。