摘要： 本文詳細(xì)介紹先進(jìn)的智能傳感器及無(wú)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(guò)采用基于無(wú)線和傳感器新技術(shù)的安防產(chǎn)品,，在隨時(shí)變化,、不可預(yù)測(cè)、充滿危險(xiǎn)的工作環(huán)境中,，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)。電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師將從本文了解如何構(gòu)建這樣一個(gè)大型的安防系統(tǒng),。
關(guān)鍵詞： 智能傳感器,；無(wú)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(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,。其模型如圖1 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,。
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(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,。
采用無(wú)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(wú)論用戶是否明顯感覺(jué)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(chǔ)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(duì)世界各類傳感器市場(chǎng)的發(fā)展的預(yù)測(cè),，MEMS 傳感器將成為全世界增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品之一。
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IEEE 1451.1,、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(zhēng)鳴的局面,。
利用可穿戴人體傳感器構(gòu)建人體倒地監(jiān)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。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(cè)，能夠存儲(chǔ)14 天連續(xù)監(jiān)測(cè)獲得的生理數(shù)據(jù),，并讓用戶能夠設(shè)置特殊事件的時(shí)間戳,。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,。
圖2 結(jié)合了SenseWear PRO2 的手臂傳感器
圖片來(lái)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(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)。此外,，通過(guò)加速度傳感器還能夠監(jiān)測(cè)人體是否在移動(dòng),，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(duì)員的TPASS-3 EVACUATE 就是一種具有監(jiān)測(cè)人跌倒功能的系統(tǒng),，如果人體在18~23 秒內(nèi)被監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)停止移動(dòng)，就會(huì)自動(dòng)向中央指揮基地發(fā)出信號(hào),。
人體倒地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于采礦工人非常重要,，因?yàn)榈V工可能會(huì)蹲下來(lái)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(gè)礦工或處于類似工作環(huán)境的工人受傷時(shí)，其鄰近的礦工未必立即就察覺(jué),。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(guò)程中,，傷害可能會(huì)更嚴(yán)重,，而人體倒地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以為營(yíng)救受傷工人贏得寶貴的時(shí)間。
如圖3 所示為一種人體倒地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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,。
圖3 一種人體倒地監(jiān)測(cè)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?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)。圖4 為一個(gè)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(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。例如,，當(dāng)?shù)V井頂部坍塌時(shí),，受傷礦工即使喪失了行為能力，這種智能的環(huán)境也會(huì)自動(dòng)地發(fā)出報(bào)警,。這種智能環(huán)境的功能也可被進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展,，以幫助礦工們?cè)诰o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(jiàn)度下降的情況下,。
在此,，傳感器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)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(chǔ)器、無(wú)線連接性以及一個(gè)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(dòng)這樣的物理和環(huán)境特性,。新一代的MICAz 微片具有長(zhǎng)達(dá)3 年的壽命、小于1 立方毫米的體積以及不超過(guò)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(lái)源：Crossbow Technology
作為傳感器節(jié)點(diǎn)的另一個(gè)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(cè)的MEMS 雙軸加速度傳感器已經(jīng)出現(xiàn)。隨著商用無(wú)線傳
感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,，完整的無(wú)線傳感系統(tǒng)已經(jīng)上市,，它們通常配備了開(kāi)發(fā)和原型設(shè)計(jì)工具，便于設(shè)計(jì)工程師從事智能采礦環(huán)境的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì),。
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(gè)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(jué)信息的同時(shí)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(lè)、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(xiǎn)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(lái)源：MicroOptical 公司
結(jié)語(yǔ)
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8 000 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。
從對(duì)比數(shù)字可知,，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,，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