煤田火区远程无线传感器网络监测系统设计与构建

煤田火区远程无线传感器网络监测系统设计与构建

艾力江·艾合买提 徐岩

新疆维吾尔自治区矿山安全服务保障中心，830000

摘要：为了解决中国煤矿监控预警面临的一系列挑战，本文提出了一种新型的无线传感器网络监控系统，它可以快速、准确地监测煤田火区的参数，并可以实时追踪和预测相应区域的自燃情况。通过结合红外温度采集装置和红外成像技术，实现了对煤田火区的全方位、实时的温度监控目标，并将采集到的温度信息以坐标点的形式传输，从而构建出一个完善的、高效的监控系统。通过模拟煤田火区的监测，我们可以获得温度数据，并利用这些信息来计算出高温采集点的坐标，从而为煤田火灾的预防与控制提供可行的解决方案，这对于未来的研究具有重要的意义。

关键词：煤田火区；远程；无线传感器；网络监测系统

西部地区的煤炭储量占据了全国的80%，但是仍然存在大片的煤田火区，严重威胁着当地的经济发展。近年来，我国煤炭开采活动日益活跃，新开采火区不断涌现，而老开采火区则逐年扩大。随着煤田火区的不断扩张，煤层受到了严重的破坏，导致了较多的资源被浪费。因此，如何有效地监控煤田火区的变化，已经成为一个迫切需要解决的问题。当前，我国煤炭矿山的监测预警技术主要分为接触式和非接触式2种。近年来，德国利用BIRD卫星技术，对煤田火区的高温点进行了全面的监测和定量分析，其准确性极高。陕西煤田地勘公司采用G-856A型磁力仪，成功地探测出了陕北煤田露头火的范围，从而为煤田开发提供了重要的参考依据。近年来，将无线自组网络技术和温度传感器有机地结合在一起已成为一种重要的研究方向。

一、远程无线监测系统的硬件

根据图1，我们可以看到煤田火区的各种装置的排布情况。通过使用红外热成像技术，煤田火区监测系统能够收集信息并进行分析。通过使用ZigBee无线自组网络和GPRS网络，我们可以实现在LAN内部和远程双向传输信息，通过TCP/IP协议，我们可以在监测中心服务器上实现数据的传输、存储，并以以太网的方式实现共享，通过实时监测和展示温度信息，我们可以创建一个更具人性化的用户体验界面，方便工作人员进行查看和处理。采用多个电池组的太阳能发电系统，不仅具有出色的续航能力，而且还能够长期稳定地满足系统对于电能的需求，从而确保其高效率和可靠性。通过使用红外热像仪，我们可以获取整个监测区域的温度数据。通过热图像处理软件系统，可以将图像转换为指定的坐标温度点，并利用无线高速传输技术实现数据的远程双向传输。

图1 煤田火区现场各装置布置

二、远程无线监测系统的主要功能

这个系统的主要目的是提供如下功能：（1）达到温度监测的功能。该系统的主要目的之一在于实现对煤田火区的实时、精确的温度监测，其方法包括使用红外热像仪温度数据采集系统收集该地区的热图像，然后将其转换为坐标温度点，最终传递给监测中心。（2）实现远程双向信息交换功能。在对温度监测数据处理后，通过GPRS网络技术可以将其传送至监测中心Internet网上，从而实现存储、分析数据等功能，并实现资源的有效利用。（3）实现长久的续航功能。通过使用多电池组太阳能供电装置，不仅解决了布线供电的困难，而且还提供了更为稳定的续航力。这样，就能够更好地监测火区的情况。（4）数据加工。通过使用红外热像仪温度信息采集系统，可以收集到区域内的温度数据。这些数据会经进一步的处理，从而提取出该地区的最高温度信息。然后，可以通过单片机来精确地定位温度所对应的地理坐标，并将其传输到监测中心的服务器上，使其能够通过人机交互的方式显示出来。（5）自动报警反应功能。当煤田火区的监测系统检测到温度超出了预先设定的阈值时，其将立刻发出警告，无论是通过视觉上的提醒，还是通过语音提醒，都可以让有关人员及时采取有效措施。（6）显示功能。通过使用该系统，煤田火区监测中心的服务器可以通过曲线图和表格的方式展现出所有的温度数据，这样，就可以更直观地了解整个火区的情况。（7）数据管理功能。通过应用这一功能，可以将收集的信息存储在监测中心的服务器上，并且可以定期地对这些信息进行清除或者备份。

三、实验研究

本次实验所需的设备包括：红外热像仪、多种功率的小型灯具、插头、开关、电缆等。经过详细的物理和化学分析，能够使得模拟实验更接近于真实的环境，并且能够提供更精确的测量结果。在这项实验中，我们选择使用小型灯泡来模拟火区温度升高的过程。这种灯泡具有良好的发热稳定性，并且价格实惠，操作简单，能够提供较好的安全保障。因此，我们认为，这是最佳的选择。通过使用40、55、90和200W的小型灯泡，我们可以模拟煤田火区的升温情况，并且在1m2的实验区域内，从不同的视角和角度拍摄红外热像图片，以收集有关的实验数据。

通过使用红外热像仪，我们可以获取实验现场的热图像温度数据，其中包含了一些重要的参数。使用红外图像处理软件对收集到的热图像进行分析，并自动生成详尽的报告，以便更好地了解当前的环境状况。采用红外热像仪对1个40W的微型灯泡进行了深入的分析，在维持20s的插电时间和0cm的水平距离的前提下，我们可以根据垂直高度的差异，将物体划分为100cm、150cm和170cm三组，以便更好地进行比较和研究。并将它们的热图像导出，使用红外图像处理技术对数据进行全面评估。在实验中，我们在不同的时间点A和B收集了三组数据，然后对数据进行总结，并对比分析了它们的规律和影响。

图2 不同拍摄高度时间点A采集到的热图像

图3 不同拍摄高度时间B采集到的热图像

如图2和3所示，当红外热像仪在同一测点拍摄到相同的温度数据时，当拍摄范围扩大时，被捕捉的测点的温度会随之下降，根据拍摄角度和其他因素，我们可以测量出实际温度与预期温度之间的差异，如公式（1）所示。经过研究发现，当在煤田火区的工程现场使用红外热像仪进行温度数据采集时，由于其安装位置的差异，所获取的温度信息也会有所出入，因此，为了获取一个更接近实际测量结果的转换温度，必须按照公式（1）编写程序。通过对不同拍摄高度的研究，我们发现了一些规律。此外，我们还考虑了其他因素，例如透射率和光谱发射率，并根据普朗克定律得出：

    （1）

该公式中，代表光谱辐射出射度，c表示光速，T表示绝对温度，λ表示波长，表示玻尔兹曼常数，、分别为第一、第二辐射常数。对公式（1）进行相应的处理可以获得公式（2）。

  （2）

在这一公式中，

上述两个公式求取的数值均为基于黑体的理想化数值，但是实际情况并不是如此简单的，设定测量物体发射率ε介于0和1之间，则联合上述两个公式可以得到：

           （3）

总结

综上所述，本文从煤田火区远程无线传感器网络监测系统的硬件及主要功能两方面展开了系统介绍，并随后进行了相关实验，在煤田火区现场，为了确保测量温度的准确性，我们应该根据实际情况，对距离、发射率、大气透射率、环境温度和环境湿度等参数进行精确设置，并且采取有效的误差补偿措施，以最大限度地提高采集温度的精确度。

参考文献：

[1]朱永琴,田二林.无线传感器网络数据传输路径目标识别方法[J].沈阳工业大学学报.2021(3).

[2]赵靓,魏汉明.基于无线传感器网络的地铁建造远程监测和风险预警系统[J].中北大学学报（自然科学版）.2022(4).

[3]王刚.煤田火区探测技术研究现状及发展趋势[J].露天采矿技术.2022(1).