智能傳感器無線網(wǎng)絡(luò)提高采礦作業(yè)的安全性

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(shí)變化、不可預(yù)測、充滿危險(xiǎn)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(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(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(jì)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(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(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(shí)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(chǔ)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(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(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(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(xiǎn)。此外，通過加速度傳感器還能夠監(jiān)測人體是否在移動(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(dòng)，就會(huì)自動(dòng)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(huì)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(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。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(huì)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(shí)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(gè)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