摘要： 本文詳細(xì)介紹先進(jìn)的智能傳感器及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在采礦這樣的惡劣環(huán)境中的潛在應(yīng)用。目的是讓采礦工人通過采用基于無線和傳感器新技術(shù)的安防產(chǎn)品，在隨時變化、不可預(yù)測、充滿危險的工作環(huán)境中，能夠通過無線、可佩帶、智能的技術(shù)，實(shí)時獲取環(huán)境以及生理數(shù)據(jù)，從而有效地管理所面臨的危險。電子系統(tǒng)設(shè)計工程師將從本文了解如何構(gòu)建這樣一個大型的安防系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 智能傳感器；無線網(wǎng)絡(luò)；安防技術(shù)
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線網(wǎng)絡(luò)提高采礦安全性，首先要定義一個由人、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。其模型如圖1 所示，這個模型的關(guān)鍵能力包括：通過傳感器來測量機(jī)器、環(huán)境以及人的重要屬性的感知能力；通過采用嵌入式計算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的檢測、采集和顯示等信息處理能力；通過由人做出決策和采取行動的能力。
圖1 基于傳感器的環(huán)境狀況感知系統(tǒng)的信息處理模型
為了支持這一信息處理模型，有三種重要的技術(shù)正在形成并融合，它們分別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、低功耗嵌入式計算機(jī)以及智能傳感器。計算機(jī)和智能傳感器技術(shù)發(fā)展很快且相對成熟。無線傳感器網(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)無線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。
采用無線傳感網(wǎng)構(gòu)建感知環(huán)境狀況的網(wǎng)絡(luò)
具有內(nèi)建智能的傳感器—無論用戶是否明顯感覺到—可被稱為智能傳感器。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、處理器以及存儲器。
物理變送器可以被制作得非常小，因?yàn)橹圃旒呻娐匪捎玫墓栾@微加工技術(shù)，目前被用于創(chuàng)建作為智能傳感器的有機(jī)組成部分的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。因?yàn)橹悄軅鞲衅髦圃焖捎玫墓に嚰夹g(shù)，與制造集成電路所采用的工藝技術(shù)類似，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)律類似。據(jù)Frost&Sullivan 公司對世界各類傳感器市場的發(fā)展的預(yù)測，MEMS 傳感器將成為全世界增長最快的產(chǎn)品之一。
智能傳感器市場的增長使得智能傳感器標(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IEEE 1451.1、1451.2、P1451.3 和P1451.4 組成。目前，最新的IEEE1451.5(無線傳感通信接口標(biāo)準(zhǔn))與Zig Bee 聯(lián)盟、Z-Wave 聯(lián)盟、Wireless USB 傳感器網(wǎng)絡(luò)等形成了百家爭鳴的局面。
利用可穿戴人體傳感器構(gòu)建人體倒地監(jiān)測系統(tǒng)
可穿戴人體傳感器系統(tǒng)的功能是持續(xù)實(shí)時測量和檢測工人的生理?xiàng)l件。以BodyMedia 公司所提供的人體傳感器系統(tǒng)為例，如圖2 所示，這種手臂傳感器能夠不更換電池就實(shí)現(xiàn)14 天連續(xù)的監(jiān)測，能夠存儲14 天連續(xù)監(jiān)測獲得的生理數(shù)據(jù)，并讓用戶能夠設(shè)置特殊事件的時間戳。它采集、分析、傳輸和存儲像加速度、耗能、身體活動持續(xù)時間、步數(shù)、行走距離、睡眠/清醒狀態(tài)、運(yùn)動、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。
圖2 結(jié)合了SenseWear PRO2 的手臂傳感器
圖片來源：BodyMedia
在這種系統(tǒng)中，加速度傳感器將獲得廣泛的應(yīng)用，例如，對于工作在動態(tài)危險環(huán)境中的礦工、消防隊員以及應(yīng)急救援人員來說，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，通過采用加速度傳感器測量沖擊力，就能夠監(jiān)測礦工可能遭受身體撞擊的危險。此外，通過加速度傳感器還能夠監(jiān)測人體是否在移動，從而顯示該礦工是否已經(jīng)喪失行為能力。例如，用于滅火隊員的TPASS-3 EVACUATE 就是一種具有監(jiān)測人跌倒功能的系統(tǒng)，如果人體在18~23 秒內(nèi)被監(jiān)測發(fā)現(xiàn)停止移動，就會自動向中央指揮基地發(fā)出信號。
人體倒地監(jiān)測系統(tǒng)對于采礦工人非常重要，因?yàn)榈V工可能會蹲下來找工具或材料，或彎腰檢查或維修設(shè)備，并且他們的工作環(huán)境的特點(diǎn)是黑暗、充滿灰塵和噪聲，可以想
象當(dāng)一個礦工或處于類似工作環(huán)境的工人受傷時，其鄰近的礦工未必立即就察覺。例如，遙控連續(xù)采煤機(jī)可能因噪聲以及擋住工人的視線而擊中位于機(jī)器盲點(diǎn)的工人，特別是在機(jī)器前進(jìn)過程中，傷害可能會更嚴(yán)重，而人體倒地監(jiān)測系統(tǒng)可以為營救受傷工人贏得寶貴的時間。
如圖3 所示為一種人體倒地監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成的示意圖。從中可見，系統(tǒng)小到可以穿戴且具有成本經(jīng)濟(jì)性，因此，適合于每一個礦工佩戴。
圖3 一種人體倒地監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成的示意圖
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)他們在緊急情況下的和安全，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)。圖4 為一個智能礦井環(huán)境的示意圖。
圖4 智能礦井環(huán)境的示意圖
在這個智能礦井環(huán)境中，各個傳感器節(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發(fā)出報警。例如，當(dāng)?shù)V井頂部坍塌時，受傷礦工即使喪失了行為能力，這種智能的環(huán)境也會自動地發(fā)出報警。這種智能環(huán)境的功能也可被進(jìn)一步地擴(kuò)展，以幫助礦工們在緊急情況下找到最佳逃生路線或其他礦工，特別是在煙霧造成能見度下降的情況下。
在此，傳感器節(jié)點(diǎn)由一個微片(也被稱為“塵埃”)和傳感器構(gòu)成，如圖5 所示。微片通常具有處理器、存儲器、無線連接性以及一個作為電源的微型電池。它可以具有低帶寬以支持有限數(shù)據(jù)的傳輸，或具有高帶寬以支持流視頻、圖像和音頻的傳輸。例如，由Crossbow Technology 公司提供的MICAz 就是一種商用、高帶寬傳感器微片，可以 采集諸如溫度、速度以及振動這樣的物理和環(huán)境特性。新一代的MICAz 微片具有長達(dá)3 年的壽命、小于1 立方毫米的體積以及不超過15 美分的成本。
圖5 由傳感器和微片構(gòu)成的傳感器節(jié)點(diǎn)
圖片來源：Crossbow Technology
作為傳感器節(jié)點(diǎn)的另一個組成部分的傳感器，正從尺寸、成本和功能方面快速發(fā)展。例如，專門用于人體倒地監(jiān)測的MEMS 雙軸加速度傳感器已經(jīng)出現(xiàn)。隨著商用無線傳
感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，完整的無線傳感系統(tǒng)已經(jīng)上市，它們通常配備了開發(fā)和原型設(shè)計工具，便于設(shè)計工程師從事智能采礦環(huán)境的系統(tǒng)集成設(shè)計。
構(gòu)建系統(tǒng)所需要的可佩帶數(shù)字顯示組件
可佩帶數(shù)字顯示器也被稱為頭戴顯示器、頭盔顯示器以及個人顯示器。這些顯示器被分為三類：
●環(huán)視顯示器：在提供視覺信息的同時不阻礙用戶觀看周圍的環(huán)境或手上的任務(wù)；
●透視顯示器：把圖像疊加在用戶的全景觀看上；
●沉浸顯示器：常用于娛樂、培訓(xùn)、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)之中。
其中，環(huán)視顯示器最適合于在危險環(huán)境中工作的工人佩戴。例如，MicroOptical 公司和Icuiti 公司就提供這種顯示組件，它們可以被直接安裝在現(xiàn)有的安全眼鏡上，觀看者可以選擇左眼或右眼觀看。如圖6 所示為MicroOptical 公司的SV-6 PC 數(shù)字顯示組件的實(shí)例。
圖6 SV-6 PC 安裝在安全眼睛上
圖片來源：MicroOptical 公司
結(jié)語
據(jù)統(tǒng)計資料顯示，從2001 年至2004 年10 月底，中國煤礦共發(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8 000 人。當(dāng)年中國煤炭產(chǎn)量約占全球的35%，事故死亡人數(shù)則占全球的80%左右。2003 年國內(nèi)煤礦平均每人每年產(chǎn)煤321 噸，效率僅為美國的2.2%、南非的8 .1%；而百萬噸死亡率是美國的150 倍、南非的30 倍。
從對比數(shù)字可知，中國煤礦安全生產(chǎn)狀況與國外主要采煤國相比，差距大太。為此，2007 年，中國政府發(fā)布了《國務(wù)院安委會辦公室關(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)，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，本文介紹的智能化采礦環(huán)境的概念值得引起行業(yè)關(guān)注。
智能礦井環(huán)境示意圖