無(wú)限感知網(wǎng)絡(luò)在提高采礦作業(yè)安全性的應(yīng)用

無(wú)限感知網(wǎng)路提高采礦安全性的應(yīng)用目前的采礦安全情況據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，從2001年至2004年10月底，中國(guó)煤礦共發(fā)生一次死亡10人以上的特大事故188起，平均每7.4天一起。2003年全球煤炭產(chǎn)量約50億噸，煤礦事故死亡總數(shù)約8000人。當(dāng)年中國(guó)煤炭產(chǎn)量約占全球的35%，事故死亡人數(shù)則占全球的80%左右。2003年國(guó)內(nèi)煤礦平均每人每年產(chǎn)煤321噸，效率僅為美國(guó)的2.2%、南非的8.1%；而百萬(wàn)噸死亡率是美國(guó)的150倍、南非的30倍。

可見(jiàn)，中國(guó)煤礦安全生產(chǎn)狀況與國(guó)外主要采煤國(guó)相比，差距大太。為此，2007年，中國(guó)政府發(fā)布了《國(guó)務(wù)院安委會(huì)辦公室關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和監(jiān)督管理的通知》(安委辦〔2007〕11號(hào))，這就為先進(jìn)技術(shù)在提高采礦作業(yè)環(huán)境的安全性上提供了政策支持，因此，由于無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)本省所具有的優(yōu)秀特質(zhì)將在安全采礦上得到廣泛應(yīng)用并發(fā)揮重大作用。無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)在采礦中的潛在應(yīng)用總所周知采礦的工作環(huán)境隨時(shí)變化、不可預(yù)測(cè)、充滿(mǎn)危險(xiǎn)，一旦發(fā)生事故，由于地下地上的隔絕和通信的困難，常常會(huì)有定位信息、傷員信息等關(guān)乎生命的救生信息的難以獲取的情況，這會(huì)大大增加救援難度。但無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合一些新技術(shù)將大大改善上述情況。采礦工人可以通過(guò)采用基于無(wú)線和傳感器新技術(shù)的安防產(chǎn)品能夠通過(guò)無(wú)線、可佩帶、智能的技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境以及生理數(shù)據(jù)，從而有效地管理所面臨的危險(xiǎn)。

下面我們將了解一下實(shí)現(xiàn)通過(guò)智能傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提高采礦作業(yè)安全性的四個(gè)關(guān)鍵方面：一、構(gòu)建人、機(jī)器和環(huán)境互聯(lián)的系統(tǒng)二、采用無(wú)線傳感網(wǎng)構(gòu)建感知環(huán)境狀況的網(wǎng)絡(luò)三、利用可穿戴人體傳感器構(gòu)建人體倒地檢測(cè)系統(tǒng)四、構(gòu)建基于傳感器節(jié)點(diǎn)的安全、智能的采礦環(huán)境一、構(gòu)建人、機(jī)器和環(huán)境互聯(lián)的系統(tǒng)

采用基于智能傳感器的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提高采礦安全性，首先要定義一個(gè)由人、機(jī)器和環(huán)境三要素互聯(lián)構(gòu)成的執(zhí)行想要功能的大系統(tǒng)，這一系統(tǒng)具有讓采礦工人能夠知曉環(huán)境狀況的功能。其模型如右圖所示，這個(gè)模型的關(guān)鍵能力包括：通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)器、環(huán)境以及人的重要屬性的感知能力；通過(guò)采用嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的檢測(cè)、采集和顯示等信息處理能力；通過(guò)由人做出決策和采取行動(dòng)的能力。為了支持這一信息處理模型，需要有有三種重要的技術(shù)形成并融合，它們分別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、低功耗嵌入式計(jì)算機(jī)以及智能傳感器。計(jì)算機(jī)和智能傳感器技術(shù)發(fā)展很快且相對(duì)成熟。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然在形成之中。為了向采礦工人提供感知環(huán)境狀況的能力，必須構(gòu)建基于上述模型的、支持實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。二、采用無(wú)線傳感網(wǎng)構(gòu)建感知環(huán)境狀況的網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由智能傳感器組成，介紹一下智能傳感器

具有內(nèi)建智能的傳感器可被稱(chēng)為智能傳感器，智能被部分或全部地集成在單一芯片之上。智能傳感器除了產(chǎn)生代表感知量的輸出之外，還添加了其它的功能。典型的智能傳感器包括可被集成在一顆裸片上的物理變送器、網(wǎng)絡(luò)接口、處理器以及存儲(chǔ)器。因?yàn)橹悄軅鞲衅髦圃焖捎玫墓に嚰夹g(shù)—微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，與制造集成電路所采用的工藝技術(shù)類(lèi)似，所以，智能傳感器的成本降低和功能增加的規(guī)律與集成電路所經(jīng)歷的規(guī)律類(lèi)似，因此它將成為全世界增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品之一。

摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)；或者說(shuō)，每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔18個(gè)月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。。

智能傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)使得智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)定義了一種標(biāo)準(zhǔn)變送器接口模塊(STIM)，其中，包括傳感器接口、信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)、線性化以及網(wǎng)絡(luò)通信。本質(zhì)上，該標(biāo)準(zhǔn)使智能傳感器具有即插即用功能，從而可被連接至智能傳感器網(wǎng)絡(luò)之上。該標(biāo)準(zhǔn)由IEEE1451.1、1451.2、P1451.3和P1451.4組成。目前，最新的IEEE1451.5(無(wú)線傳感通信接口標(biāo)準(zhǔn))與ZigBee聯(lián)盟、Z-Wave聯(lián)盟、WirelessUSB傳感器網(wǎng)絡(luò)等形成了百家爭(zhēng)鳴的局面。三、利用可穿戴人體傳感器構(gòu)建人體倒地檢測(cè)系統(tǒng)可穿戴人體傳感器系統(tǒng)的功能是持續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量和檢測(cè)工人的生理?xiàng)l件。它采集、分析、傳輸和存儲(chǔ)像加速度、耗能、身體活動(dòng)持續(xù)時(shí)間、步數(shù)、行走距離、睡眠/清醒狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)、熱流量、皮膚溫度以及電擊皮膚反應(yīng)等等生理數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)最初主要用作保健和安全研究工具。

結(jié)合了SenseWearPRO2的手臂傳感器，這應(yīng)該也屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的范疇。

人體倒地檢測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于工作在動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)環(huán)境中的礦工、消防隊(duì)員以及應(yīng)急救援人員來(lái)說(shuō)，可能因倒地(如從屋頂、支架和山坡上跌倒)、滑倒、絆倒、跌落、或因運(yùn)動(dòng)的機(jī)器打中和摔倒而喪失正常人的行為能力。在所有這些災(zāi)難中，通過(guò)采用加速度傳感器測(cè)量沖擊力，就能夠監(jiān)測(cè)礦工可能遭受身體撞擊的危險(xiǎn)。

圖示為一種人體倒地檢測(cè)構(gòu)成的示意圖。從中可見(jiàn)，系統(tǒng)小到可以穿戴且具有成本經(jīng)濟(jì)性，因此，適合于每一個(gè)礦工佩戴。四、構(gòu)建基于傳感器節(jié)點(diǎn)的安全、智能的采礦環(huán)境為了維護(hù)礦工在工作情況下的健康和保護(hù)他們?cè)诰o急情況下的和安全，需要構(gòu)建一種智能的環(huán)境，其中的關(guān)鍵要素就是傳感器節(jié)點(diǎn)。

智能礦井環(huán)境的示意圖

在這個(gè)智能礦井環(huán)境中，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)提供通信并采集關(guān)于采掘機(jī)械位置、礦井頂部、支撐架狀況、橫切面流量、礦工位置和狀態(tài)以及礦井空氣等數(shù)據(jù)，從而在工作期間就礦工的監(jiān)控和面臨的不安全危險(xiǎn)發(fā)出報(bào)警。

傳感器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)微片(也被稱(chēng)為“塵埃”)和傳