基于物联网的井下紧急逃生系统分析

本文研究了一种基于物联网的井下紧急逃生系统，通过布局在井下的无线网络传感器节点监测周围的瓦斯浓度，如瓦斯浓度超出警戒线，则向全网广播紧急信号并把收集的数据通过实时算法计算出井下人员下一步的安全撤离方向并以动态方式在LED上显示。

【关键词】WSN 物联网 紧急逃生系统

1 引言

矿井瓦斯超标在国内一些重大的矿难事故中占主导地位，而目前，国内外研究的基于无线传感网络的瓦斯监控系统只有瓦斯监控功能，但没有逃生引导指示功能。这类系统在监测到瓦斯超标后，只发出报警声而无逃生引导方向的指示，无法给受困人员提供安全的引导指示。

因此，若能研制出一种基于无线传感网络的紧急逃生引导系统，在瓦斯超标等紧急事件发生时，能结合矿井结构及瓦斯超标位置等信息，快速智能地指示出最佳逃生路径，并给内部逃生人员提供报警信息，使得逃生人员能够根据此指示安全、迅速、有序地逃离灾难现场，又能准确指出瓦斯超标位置，很具有现实意义。

2 系统总体结构

本系统是基于物联网的井下紧急逃生系统，通过无线传感器网络节点上的传感器对矿井的瓦斯浓度等进行实时监控，当发生瓦斯超标时，距离瓦斯较近的节点将检测到该危险，并向全网广播紧急信号，收到信息的各节点通过实时算法计算出受困矿工下一步的安全行走方向并以动态方式在LED上显示。届时，这些路径将最大可能的避开灾难节点所形成的危险区域，并指引逃生人群逃离危险区域。

本系统采用ZigBee技术来构建无线传感器网络，整个系统包括布建于井下的传感器节点和用于传感器节点所覆盖的整体环境监控的后台监控装置。井下紧急逃生引导系统需要实现的总体功能结构如图1所示。

本系统中无线传感器节点的设计主要可以分成四大模块：主节点模块、指示模块、传感模块及能量供应模块。这四大模块通过连接线相互连接在一起，组成统一的整体。

3 系统模块介绍

3.1 主节点模块

主节点模块参与ZigBee无线网络的构建与通信，是本系统中的核心模块，主要负责无线传感器网络的自组成、逃生引导算法程序的运行、与显示传感模块通信等关键性任务。

3.2 指示模块

LED指示模块是指在逃生引导系统中显示逃生路径给用户，以便指引用户快速逃离瓦斯超标现场。本系统中将采用LED显示屏来显示逃生引导路径，这样不仅方便显示逃生路径，而且能节约成本。系统中模块与主节点联动，可以根据主节点的指示，动态智能的显示逃生路径。

3.3 紧急逃生引导算法

当节点完成初始化进程后，节点感测到瓦斯信息或者收到紧急报文时启动逃生引导算法。算法以权值（weight）来衡量每个节点的危险程度，权值越高表示该节点所处区域越危险，路径的引导将从权值较高的点逐步指向权值较低的点引导，直至引导至最近的出口节点。在瓦斯超标发生时期，所有节点的权值都要进行动态更新，以引导人员到最安全的出口。收到紧急包的节点首先更新到瓦斯节点的距离；随后节点判断是否处在危险区域内，如果是则按危险区域内更新权值的方法调整节点的权值，接着节点判断是否成为本地最小的节点，并调整权值；然后节点继续广播紧急信息包；最后节点选择危险程度最小的邻居作为引导方向。

3.4 传感器模块

传感器节点中传感器模块实现的功能是对矿井内的瓦斯浓度进行采集并将采集的信息经处理后传送给控制器模块，因此，传感器节点的传感器选择在考虑成本等条件的前提下还需要考虑体积和功耗等因素。

TGS2442对CO十分敏感，所以非常适合CO检测。TGS2442传感器的特点低功耗，尺寸小，对CO选择性高，灵敏度高，抑制了对酒精的灵敏度，长寿命、低成本，受温度影响小。

3.5 电源模块

节点的能量消耗主要来自三个模块：主节点模块、指示模块和传感器模块。主节点模块是节点的功能控制中心和数据计算中心，在ZigBee网络组网、无线通信等过程中，都将消耗能量；指示模块负责显示逃生路径，显示部分是由LED点阵模块，而LED点阵在显示时，需要消耗大量能量，同时指示模块的主控芯片AT89S51运行时也需要消耗部分能量；传感器模块主要负责自动检测周期性和非周期性两类事件，其能量消耗总量可简单概括为单次采样消耗的能量与采样次数的乘积。

对于节点能量供应模块的设计，需要对节点的各个模块进行节能设计。对于主节点模块和指示模块，可以从软硬件两个方面来考虑。在硬件上，可以从低功耗器件、适时休眠和空闲时的降频技术等来节省能耗。在软件上，需要设计更合适的算法，算法越复杂，指令条数就越多，消耗的能量也就越大。

此外，在设计电源时应考虑防爆机制和后备电源的设计，当井下瓦斯超标需要限电或出现故障停电时应保障逃生系统的电源供应。

4 结束语

本文提出一种基于无线传感网络的紧急逃生引导系统，在矿井灾害事件发生时，能快速智能地给内部逃生人员提供报警信息并指示出最佳逃生路径；同时帮助外部人员准确定位灾害地点，辅助外部救援人员更有效地组织救援工作。

参考文献

[1]尹安.无线传感器网络路由协议研究[D].湖北：华中科技大学，2009.

[2]范维唐，卢鉴章，申宝宏.煤矿灾害防治的技术与对策[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

作者简介

孙英培（1986-），女，河南省宝丰县人。硕士学位。现为鹤壁汽车工程职业学院助教。研究方向为智能信息技术处理。

作者单位

鹤壁汽车工程职业学院 河南省鹤壁市 458000