智能傳感器無線網絡提高采礦作業的安全性

摘要： 本文詳細介紹先進的智能傳感器及無線傳感器網絡技術及其在采礦這樣的惡劣環境中的潛在應用。目的是讓采礦工人通過采用基于無線和傳感器新技術的安防產品，在隨時變化、不可預測、充滿危險的工作環境中，能夠通過無線、可佩帶、智能的技術，實時獲取環境以及生理數據，從而有效地管理所面臨的危險。電子系統設計工程師將從本文了解如何構建這樣一個大型的安防系統。

關鍵詞： 智能傳感器；無線網絡；安防技術

構建人、機器和環境互聯的系統

　　采用基于智能傳感器的無線網絡提高采礦安全性，首先要定義一個由人、機器和環境三要素互聯構成的執行想要功能的大系統，這一系統具有讓采礦工人能夠知曉環境狀況的功能。其模型如圖1所示，這個模型的關鍵能力包括：通過傳感器來測量機器、環境以及人的重要屬性的感知能力；通過采用嵌入式計算機實現信息的檢測、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  基于傳感器的環境狀況感知系統的信息處理模型

　　為了支持這一信息處理模型，有三種重要的技術正在形成并融合，它們分別是無線傳感器網絡、低功耗嵌入式計算機以及智能傳感器。計算機和智能傳感器技術發展很快且相對成熟。無線傳感器網絡仍然在形成之中。為了向采礦工人提供感知環境狀況的能力，必須構建基于上述模型的、支持實現無線智能傳感器網絡的基礎設施。

采用無線傳感網構建感知環境狀況的網絡

　　具有內建智能的傳感器—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、網絡接口、處理器以及存儲器。

　　物理變送器可以被制作得非常小，因為制造集成電路所采用的硅顯微加工技術，目前被用于創建作為智能傳感器的有機組成部分的微機電系統(MEMS)。因為智能傳感器制造所采用的工藝技術，與制造集成電路所采用的工藝技術類似，所以，智能傳感器的成本降低和功能增加的規律與集成電路所經歷的規律類似。據Frost&Sullivan公司對世界各類傳感器市場的發展的預測，MEMS傳感器將成為全世界增長最快的產品之一。

　　智能傳感器市場的增長使得智能傳感器標準應運而生。IEEE1451標準定義了一種標準變送器接口模塊(STIM)，其中，包括傳感器接口、信號調理和轉換、校準、線性化以及網絡通信。本質上，該標準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絡之上。該標準由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準)與Zig Bee聯盟、Z-Wave聯盟、Wireless USB傳感器網絡等形成了百家爭鳴的局面。

利用可穿戴人體傳感器構建人體倒地監測系統

　　可穿戴人體傳感器系統的功能是持續實時測量和檢測工人的生理條件。以BodyMedia公司所提供的人體傳感器系統為例，如圖2所示，這種手臂傳感器能夠不更換電池就實現14天連續的監測，能夠存儲14天連續監測獲得的生理數據，并讓用戶能夠設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、身體活動持續時間、步數、行走距離、睡眠/清醒狀態、運動、熱流量、皮膚溫度以及電擊皮膚反應等等生理數據。這種系統最初主要用作保健和安全研究工具。

圖2  結合了SenseWear PRO2的手臂傳感器
圖片來源：BodyMedia

　　在這種系統中，加速度傳感器將獲得廣泛的應用，例如，對于工作在動態危險環境中的礦工、消防隊員以及應急救援人員來說，可能因倒地(如從屋頂、支架和山坡上跌倒)、滑倒、絆倒、跌落、或因運動的機器打中和摔倒而喪失正常人的行為能力。在所有這些災難中，通過采用加速度傳感器測量沖擊力，就能夠監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測人體是否在移動，從而顯示該礦工是否已經喪失行為能力。例如，用于滅火隊員的TPASS-3 EVACUATE就是一種具有監測人跌倒功能的系統，如果人體在18~23秒內被監測發現停止移動，就會自動向中央指揮基地發出信號。

　　人體倒地監測系統對于采礦工人非常重要，因為礦工可能會蹲下來找工具或材料，或彎腰檢查或維修設備，并且他們的工作環境的特點是黑暗、充滿灰塵和噪聲，可以想象當一個礦工或處于類似工作環境的工人受傷時，其鄰近的礦工未必立即就察覺。例如，遙控連續采煤機可能因噪聲以及擋住工人的視線而擊中位于機器盲點的工人，特別是在機器前進過程中，傷害可能會更嚴重，而人體倒地監測系統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測系統構成的示意圖。從中可見，系統小到可以穿戴且具有成本經濟性，因此，適合于每一個礦工佩戴。

圖3  一種人體倒地監測系統構成的示意圖