齐俊艳 王磊 乔莉

摘 要： 矿井透水事故发生后，通信系统往往会因为遭到破坏而中断，井上井下无法及时联系，从而影响救援工作的开展。为了解决这一问题，提出一种用于矿用透水事故救援的应急水声通信系统。给出系统设计的总体结构图、硬件框图以及系统功能实现的软件流程图，详细介绍了系统包含的三类节点：浸没水里的节点、浮在水面的节点和陆地节点。分析表明，该系统能够在透水事故发生时为井上井下人员提供有效的应急通信途径，确保救援工作有效开展。

关键词： 矿井透水； 水声通信； 应急通信； 救援； 节点； 无线传感网络

中图分类号： TN91?34； TP393 文献标识码： A 文章編号： 1004?373X（2018）17?0025?05

Abstract： After the mine water flooding accident， the acoustic communication system may be destructed， and then interrupted， the miner under or above the well can′t be contacted in real time， which affects the rescue work. An underwater acoustic emergency communication system for mine water flooding accident rescue is proposed to solve the above problem. The overall structure diagram and hardware block diagram of the system design， and software flowchart of the system function realization are given. Three kinds of nodes contained in the system are introduced in detail， including node submerged in the water， node floating above the water and land node. The analysis result shows that the system can provide an effective emergency communication channel for the staff under or above the well， and ensure the rescue work effectively while the system suffers from the water flooding accident.

Keywords： mine water flooding； underwater acoustic communication； emergency communication； rescue； node； wireless sensor network

0 引 言

煤矿是我国的主要能源，受我国煤矿复杂地形限制，透水事故频繁发生。从历年来发生的煤矿透水事故来看，事故一旦发生，井下全部电力供应需要切断，这直接导致矿井下各个通信设备无法正常使用，致使受困人员无法和地面救灾指挥部、井下救护基地取得及时有效的联系，从而造成大量的财产损失和人员伤亡。例如，山西王家岭煤矿透水事故、榨里一号井 “8.16”透水事故、龙南县大罗煤矿“5.1” 透水事故等有线监控因切断电力不能正常使用，导致受困人员无法与井上取得有效联系，未能进行及时营救[1?3]。河南省支建煤矿发生透水事故，所幸通信线路没有中断，使用井下一部电话与井上人员取得了联系，才使营救人员了解了井下情况，保住了69名矿工的生命，这是历次救援所没有的[4]。针对有线监控的缺陷，研究者们陆续提出基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统，此类无线传感器网络使用的均是ZigBee节点。ZigBee是一种低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术[5]，它的优点使得其在煤矿下得到广泛的应用。如基于无线传感器网络的煤矿安全监测监控系统，基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统等无线监控系统[6?7]。当煤矿下发生透水事故时，这些节点虽不受切断电力的影响，但因均采用无线电波进行消息传输，被水淹没的节点无法进行信息传输，这就导致整个网络失效，以至井下情况无法及时地传到井上救灾指挥部。

因此，透水事故一旦发生，有效的煤矿井下应急通信技术装备具有重要的价值。本文提出一种用于矿井透水事故水声通信救援系统。当发生透水事故时，利用该系统实现井上井下人员的有效联络，确定井下人员所处环境状况及安全状况，给井上救援人员提供井下受困人数、生命体征、所处位置等精确信息，实现灾害环境下井上井下人员的有效通信，从而有针对性地开展救援工作。

1 系统总体设计

本文研究的矿用无线水声通信救援系统，考虑到透水事故发生后，巷道会出现有水区域或者无水区域两种情况。因此，为了适应这两种情况，该通信救援系统需充分利用水声通信与ZigBee技术结合设计通信节点以满足不同现场情况的技术方法。透水事故发生后，在无水区域采用事先布放好的ZigBee网络进行信息传递，而有水区域就复杂一些，可分为巷道灌满水和部分有水两种情况，即有些时候水会灌满整个巷道，而有些时候可能只会集中在低洼区域，在这样的区域需要采用水声通信技术完成信息传递。本文将水声通信技术[8]与无线传感网络技术[9?10]相结合，重点研究通信节点的开发。

设计的矿用无线水声通信救援系统总体框图如图1所示。系统主要由井下人员便携的陆地移动无线传感网络节点、用于将采集到的陆地无线信号和水下声波信号进行转换传输的陆水信号转换节点、水下通信传感网络节点和地面远程控制管理中心构成。正常情况下，系统中的节点可以监测节点附近的瓦斯浓度、温度、湿度等信息，作为基本监测设备使用。但当透水事故发生，煤矿内出现不同深度的水时，漂浮在水面上的水声换能节点2，5，7立刻由睡眠状态变为唤醒状态，迅速与水里节点1，3，4，6和陆地节点8，9进入组网状态，组网完成后，各个节点就能实现信息互传。井下人员可能处在不同的位置，有部分人员可能在救生舱，提前部署在救生舱的节点与井下人员的手持设备进行通信，井下人员通过手持设备把自己的位置、身体状况等信息传输至井上的远程控制管理中心；有部分人员可能站在高处，井下人员身上的手持设备与提前部署在附近的节点进行通信，最终把自己所处的位置、身体状况、环境状况等信息通过节点1传输给节点2，节点2传输给节点3，……，这样进行多跳传输，最终把信息传输至井上的远程控制管理中心。在部分有水的情况下，一方面，陆地移动无线传感器网络节点通过与水中的通信节点组网将消息传输至井上的远程控制管理中心；另一方面，陆地移动无线传感器节点与陆水信号转换节点进行通信，将信号传输至水下通信传感网络节点，以多跳的方式进一步传输至远程控制管理中心[6]。在巷道灌满水时，则不能采用陆地无线传输的方式，那么就只能通过陆地移动无线传感器网络节点、陆水信号转换节点、水下通信传感网络节点组网，最终以多跳方式将信号传至远程控制管理中心[7]。

2 节点设计

2.1 井下人员便携的嵌入式移动无线传感网络节点

井下人员便携的嵌入式移动无线传感网络节点包括用于采集环境参数信息的数据采集模块、数据处理模块和无线模块。数据采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端连接，数据处理模块与无线模块双向通信連接。数据采集模块包括温湿度传感器、瓦斯浓度传感器，数据处理模块采用STM32F107芯片实现，无线模块采用CC2531用以传输ZigBee信号[8?9]。除此之外，该节点还包括语音模块、液晶显示模块、键盘输入模块、晶振电路、复位电路、电源，节点框图如图2所示。其具体工作原理为：节点由井下人员随身携带，正常情况下能够采集人员附近的瓦斯浓度、温度、湿度等信息，作为基本监测设备使用[10]。一旦有透水事故发生，部署在距离最近的水声换能设备发射灾难预警信号，该节点收到预警信号后，迅速进入组网状态，组网完成后，各个节点就能实现信息互传[11]。井下人员根据自己收到的其他人员发来的信息了解不同地点的灾害情况，从而发布自己的信息，节点根据事先存储的井下地图信息确定安全的逃生路线，找到就近的避难场所。此外，所有节点发送的信息逐跳传输，最终汇聚到吸收节点[12]，该节点为特殊的水声换能器模块，分为固定和移动两类。固定节点由生产单位按照提出的拓扑结构提前布放在相关地点[13]，移动节点由救援人员按需布放，用于收集井下人员发送的信息及向井下发布指令信息。

2.2 水声换能器节点

水声换能器节点包括数据采集模块、数据处理模块和无线模块。数据采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端连接，数据处理模块通过无线模块与水声换能器双向通信连接。数据采集模块包括温湿度传感器、瓦斯浓度传感器。数据处理模块采用STM32F107芯片实现，无线模块采用CC2531用以传输ZigBee信号。除此之外，该节点还包括功率放大器、晶振电路、复位电路、电源，该节点还具有ZigBee信号接收与发送、超声波信号发送与接收、水声通信组网、ZigBee通信组网、事故检测触发唤醒等功能，节点框图如图3所示。其具体工作原理为：该节点被立体布置在矿井不同高度的位置，具有湿度、水位综合检测功能。平时为了节省能量，节点处于睡眠状态[14]，当检测到有透水事故发生后，漂浮在水面上的模块立即由睡眠状态进入唤醒状态，作为换能器开始工作，将接收到的ZigBee信号转换成水声信号。同理，该模块接收其他模块发送过来的水声信号，将其转换为ZigBee信号，即模块作为无线网络的吸收节点使用[15]。

2.3 水声通信传感网络节点

如图4所示，该节点主要包含传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由声学调制解调器Modem组成）以及电源4个核心组件。信号传感单元和通信单元均与处理单元连接，处理单元通过通信单元与其他的水声通信节点连接。

图5所示为该节点的一种具体实现方式，该节点包括顺次连接的A/D转换器、电平转换模块、通信模块及D/A转换器。A/D转换器用于连接模拟信号输入，D/A转换器用于连接模拟信号输出。通信模块的信号输入及输出端连接有对应的CDMA解调及CDMA调制模块，用于对相应信号进行转换处理。节点通过自组织方式构成无线网络[16]，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖矿井区域的信息，并通过多跳自组网方式将数据经由换能器节点（Sink节点）传送到远程控制管理中心。

3 组 网

协调器建立网络[17]，程序运行至网络初始化函数时会产生一个ZDO_NETWORK_INIT事件，此后调度程序会在ZDO层任务函数中对网络初始化事件进行处理，并最终通过调用设备启动函数ZDO_StartDevice（）进行设备启动操作。ZDO_StartDevice函数根据逻辑设备类型、启动模式、信标事件、超帧长度等启动参数选择调用网络形成函数或调用网络发现函数。如果为协调器设备，则通过网络层网络形成请求函数进行网络创建申请；如果为路由设备或者终端设备，则执行网络层网络发现函数NLME_Network Discovery Request（）进行网络发现。确定为协调器之后，网络层利用MAC层进行信道能量扫描，选择能量最弱的，也就是ZigBee设备最少的信道。网络创建结果由网络形成请求确认函数交由ZDO层进行处理，网络形成成功则对设备网络状态进行更新，形成失败则继续产生ZDO_NETWORK_INIT事件，重新发出网络形成请求。组网完成后，一方面，陆地移动无线传感器节点与陆水信号转换节点进行通信，将信号传输至水下通信传感网络节点，再以多跳的方式传输至陆水信号转换节点，该模块将接收到的水声信号转换成ZigBee信号，通过串口传输至远程控制管理中心；另一方面，陆地移动无线传感器节点与陆水信号转换节点进行通信，陆水信号转换节点将信号通过串口传送给STM32F107芯片进行处理后，发送给无线收发装置进行传输。整个网络组网算法流程图如图6所示。

4 结 论

本文研究了矿用无线水声通信救援系统，充分利用陆地移动无线传感器网络节点、陆水信号转换节点和水下通信传感网络节点，将无线传感网络技术和水声通信技术相结合，组建用于透水事故发生时应急通信的传感网络，实现在矿井电力中断的情况下，井上井下人员之间的通信联络，从而有效地开展救援工作，避免大量人员伤亡和财产损失，具有很大的应用前景。

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