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煤矿远程监控系统安全使用无线传感器网络

Cheng Bo,¹ Cheng Xin,² Zhai Zhongyi,¹ Zhang Chengwen,³ and Chen Junliang¹ 1

煤矿企业发生频繁事故; 因此，提高煤矿安全监测系统的技术水平是一个迫切的问题。 无线传感器网络（WSN）作为新的研究领域具有广泛的应用前景。 本文提出了一种基于Web的物联网（WoT-）远程监控系统，充分利用无线传感器网络与CAN总线通信技术相结合，将地下传感器数据和能力抽象为WoT资源，以提供使用代表状态转移的服务 （REST）风格。 我们还为基于WoT的煤矿安全远程监控系统提出了三个不同的实施情景，对其进行了测量和分析。最后，我们描述我们的结论和未来的工作。

简介

煤矿的自然条件非常复杂，采矿条件极其反复。许多灾害可能发生在矿山，这增加了煤矿开采的不安全感，很容易导致重大事故，造成了安全的极大困难。煤矿环境结构复杂;分支隧道的空间有限，分支隧道的方向不固定。有线传输系统通常仅安装在主隧道中，这大大限制了网络的扩展。当地下采矿不断进步时，无需实时建立有线网络;自然地，不可能实时监控这些危险区域。另外由于成本和维护的限制，在废弃的地下隧道内没有安装监控系统，造成很大的潜在安全隐患。因此，对于煤矿安全监测和控制，有线监测和控制的缺点还有待解决。在许多煤矿区，如废弃隧道和采矿段，安装有线煤矿安全监测和控制系统并不容易。但是，在这些具有最大潜在安全隐患的地区，灾难性煤矿事故可能发生在密切关注的情况下，不可估量的后果。因此，有线监控系统不足以满足整个煤矿安全生产监控的要求。由于有线监控系统的局限性和地下煤矿的复杂性，甲烷，灰尘，负压，温度，一氧化碳，风速等一些地下参数无法有效监测和控制，造成巨大潜力安全隐患[1-6]。将无线监控系统与现有的有线监控系统相结合，可以有效弥补现有监控系统的不足，大大提高煤矿安全水平。

对于煤矿监测系统，数据通信技术是实现这种系统智能化和网络化的关键，也是实现煤矿高速信息平台的重要环节。目前，煤矿行业可以运行的通用通信模式包括基于调制和解调的模拟传输模式，基于分布式控制系统（DCS）的RS485串行通信模式，现场总线控制系统（FCS）基于智能传感器的传输模式，以及无线传输模式。现场总线技术已经广泛应用于各行业的工业领域，可以根据需要在主从模式或多主机模式下使用。多主机模式允许不同位置的监控设备之间的数据交换更加灵活和直接。由于其极高的可靠性和独特的设计，以及其传输特性（高速，长距离），现场总线技术特别适用于现场监控设备之间的互连。

无线传感器网络（WSN）是通过密集分布大量能够在无人值守监控区域进行通信和计算的微型传感器节点而建立的，是可以根据环境自主完成计划任务的智能自主控制网络系统。 根据现有煤矿瓦斯监测系统的上述主要问题，可以将无线传感器网络的优势与有线网络相结合，实现无缝地下安全监控覆盖。

Web服务[7-9]是通过Web技术提供的服务。 通常，Web服务基于超文本传输协议（HTTP）。 万维网联盟（W3C）将Web服务定义为由统一资源标识符（URI）

标记的软件系统; 通用Web界面由可扩展标记语言（XML）文档定义和描述，以提供外部调用。 在调用过程中，Web服务与使用XML信息封装的另一个Web服务或其他软件系统进行交互。 Web经常被用作不同服务之间的消息传输格式。

代表性状态转移（REST）[10-13]是Roy Fielding博士博士论文首先提出的网络应用框架。在REST框架中，系统中的所有对象和功能都可以作为资源进行抽象，每个资源都具有统一的资源位置（URL）。例如，一个数据条目，一个服务操作，一个图片和一个视频可以被抽象为资源，并且每个资源在系统内具有唯一的URL。在REST框架样式中，每个资源通过唯一的URL公开给客户端。因此，客户端可以通过其URI区分这些交互对象。此外，客户端还可以根据某个URI对资源进行任何请求。 REST风格的Web服务和传统的Web服务之间的一个主要区别是REST不将HTTP视为传输层协议而是应用层协议。因为资源的URI是唯一的，当客户端使用HTTP标准来操作GET，POST，PUT和DELETE来请求目标资源时，服务器将会理解HTTP请求。 GET读取资源的数据; POST建立新的资源; PUT更新资源; DELETE删除资源。通过统一接口运行资源增加了交互的统一性，降低了组件之间的耦合度，简化了客户端的实现，并增加了系统的可扩展性。

物联网（WoT）[14,15]从技术实施的角度描述了物联网。 WoT使用Web的设计理念和技术，将WoT网络环境中的设备抽象为资源和服务能力，并将其连接到Web空间，建立异构网络和基于分布式终端的应用环境，使其更容易 访问WoT上的嵌入式设备和服务。 WoT使用Web标准，并将互联网的整个生态系统扩展到所有类型的感测设备。

在本研究中，无线传感器网络与控制器局域网（CAN）总线技术相结合，全面及时监测地下环境中的智能预警，生产数据和设备的运行状态。 另外，根据WoT技术，收集所有类型的参数并将其传输到远程监控中心进行分析，为客户提供决策信息。 如果存在参数异常，本地传感器节点可以在现场发出声光报警，同时在远程监控中心窗口中显示报警。 本文的其余部分安排如下。 在第2节中，我们描述了所提出的系统架构。 在第3节中，我们描述不同的场景。 在第4节，我们介绍演出和讨论。 最后，第5节讨论了结论和未来工作。

建议的系统架构

WoT监控平台结合WSN和CAN总线技术，实现对地下环境参数的全面及时监测和预警; 此外，WoT技术用于远程监控中心的远程监控地下参数。 整个系统使得各种地下传感器能够通过Web技术在接入网关侧和操作系统侧的应用层可用; 此外，系统通过RESTbased框架封装了开放接口，并允许应用层通过HTTP访问资源。 图1显示了整个系统的整体架构。 WoT的服务网关是核心节点，可以提供Web服务，使

应用程序能够以Web形式直接访问网关，与传感器/控制器进行通信。

WoT服务服务器向WoT应用程序提供WoT服务，并提供WoT服务网关的标识，路由和注册等管理功能。 因此，基于这种架构的应用程序可以通过访问WoT服务网关和WoT服务平台来获得不同的WoT服务。

WoT应用对地下环境，生产数据和设备的运行状态进行全面及时的监测和提供智能预警。 另外，收集所有类型的参数并将其传输到远程监控中心进行分析，为客户提供决策信息。

2.1. 地下无线传感器网络部署。

ZigBee协议支持星型拓扑和对等拓扑。实际上，无线传感器节点不是随机传播的，也不是自组织的无心网络。在该方案中，树簇结构被用于提高网络的稳定性和可靠性[16,17]。树簇结构是对等网络拓扑的应用形式，如图2所示。在该建议中，监控中心作为个人区域网络（PAN）协调器，即具有簇的簇头标签（CLD）为0.所有固定节点用作固定簇头节点（CLH），即PAN协调器。为了便于与位置集成，每个固定节点在网络初始化期间建立具有固定PAN标识（PAN ID）的PAN，并通过广播向相邻设备发送信标帧。接收到信标帧的候选设备适用于用于加入网络的集群头。如果头集群允许应用程序，则集群头将作为子节点加入其相邻表。此外，要求加入的设备将作为父节点加入到其相邻的表中，使设备成为网络的从设备。一旦网络容量达到一定限度，头集群将指定一个从设备作为另一个集群网络的头集群。随后，来自更大范围的节点将逐个连接，连续扩展网络，直到网络所覆盖的所有节点都加入形成多集群网络（图2）

在正常情况下，节点网络进程如下：当ZigBee网络处于初始化状态时，节点通常处于休眠状态，随机时间点将被唤醒。节点唤醒后，第一步是在其通信范围内搜索网络。如果找到网络，则节点将根据所获得的网络信息选择父设备（已经加入网络的节点），以应用于加入网络的权限，并等待来自父节点的请求响应;如果没有找到网络，则节点将自己声明PAN协调器并建立网络，接受应用程序以作为父设备加入网络。在接收到加入网络的应用程序之后，父设备将根据请求信息决定是否批准应用;如果父设备批准应用程序，则父设备将发送通知子设备的请求。子设备接收到响应消息后，将获取由父设备分配的网络地址作为网络中唯一的标识符。节点然后成功加入了网络。加入网络后，节点将广播信标帧作为协调器，并同时接收来自新节点的加入网络的请求。因此，通过逐级分配短地址，网络覆盖区域中的所有节点将形成树簇网络拓扑。图3显示了对等无线网络节点中的网络建立过程。

首先，协调器扫描信道并检测能量，之后它建立网络，接受从其他节点作为父节点加入网络的许可请求。父节点接收到加入网络的请求后，首先确定是否允许节点加入网络;如果节点被允许加入网络，则父节点将发送请求响应以通知子节点并为子节点分配网络地址作为网络内的唯一标识符。节点然后成功加入了网络。加入后，如果节点是路由器，则可以接收从新节点加入网络的请求。通过对地址的逐级分配，allnodesinthemonitorregion将加入网络。在加入网络的节点的过程中，彼此通信的一对节点形成了父子关系 - 已经加入网络的节点是父节点，而另一个节点是父节点的子节点。

在煤矿中，由于工作要求，矿工们必须不断前进。矿工运载的ZigBee节点移动，加入，退出网络。此外，进一步的挖掘导致网络的相应扩展，这导致网络拓扑的动态变化。节点通过多跳数据转发机制交换数据，需要特殊的路由协议进行数据包转发。在提出的系统中，数据交互主要发生在监视中心和每个监控节点之间。大多数数据流从每个监控节点到监控中心，其次是从监控中心发送到设备的指令数据;监控节点之间几乎没有数据交换。因此，基于该特征，路由选择在某种程度上被优化。发送到监控中心的数据直接选择沿着簇树的向上垂直路由，而从监控中心发送到某个节点的数据直接选择沿着树树的向下垂直路由;路由发现和路由选择只能在节点之间的少量数据交换开始。当网络层从上层接收数据时，首先确定传输是否是广播帧;如果是，则根据广播帧过程处理数据。网络层确定数据是否应发送到监视中心;如果是，则网络层使用其父节点作为下一跳的路由;如果没有，则网络层开始路由选择，或者根据下一跳的已知路由发送数据。如果节点既不具有路由发现能力也不执行路由选择，则沿着树进行路由选择。如果数据从监控中心发送到监控节点，则数据首先发送到CAN总线。一个固定的重新检测数据，并且有一个PANID 部分; 如果是，则节点选择沿着簇树的向下垂直路由，并且数据连续跳到目标节点。 如果数据是监控节点之间的交互，可能需要路由发现和路由选择

2.2. 地下传感器网络的WoT网关

地下传感器网络节点还必须解决数据延迟容限，丢包容错，分布式过滤，时间同步，安全性，实时性，低功耗等情况。 汇聚节点然后收集数据并将其传输到具有比传感器节点更好的处理，存储和通信能力的智能控制网关。 智能控制网关从传感器网络节点和仪器设备接收数据，并接受来自外部网络的远程控制命令。 同时，智能网关控制网关具有嵌入式数据库，可以通过网络节点和仪器设备进行定位，便于数据管理。 对于较高级别的监视和控制应用程序，任何类型的设备看起来都一样，即使底层实现方式不同。 WoT网关的框架如图4所示。

Asseenin图4，对于通过TCP / IP的HTTP不支持并且没有IP堆栈的地下物理特性，智能控制网关负责将Web请求转换为物理设备理解的协议。 智能控制网关将特殊通信协议转换为通用HTTP。 它接收控制消息并将其转换为地下物理设备理解的命令。 类似地，它从设备收集数据并将其转发到监控中心。 这里包含设备管理，数据采集管理，控制命令管理和协议管理。

数据采集管理在不同的地下专用通信协议之间转换和解析数据。 传感器将数据传输到汇聚节点，汇聚节点接收数据并将其发送到串行端口的数据收集管理。 数据收集控制流程的更多细节如图5所示。
步骤1.从设备描述表中查找传感器设备的可用信息。 STATUS字段可以等于1，这意味着设备可用，或者为零，这意味着设备不可用。

数据采集管理转换和解析步骤。

2.从匹配的传感器设备中提取串行端口COM ID，指示传感器设备应使用哪个串行端口ID。

Figure 4: Web of Things gateway framework.

Figure 5: The control flow for data collection.

Figure 6: The flow for command control.

Table 1: Field definitions of data structure.