摘要： 本文详细介绍先进的智能传感器及无线传感器网络技术及其在采矿这样的恶劣环境中的潜在应用。目的是让采矿工人通过采用基于无线和传感器新技术的安防产品，在随时变化、不可预测、充满危险的工作环境中，能够通过无线、可佩带、智能的技术，实时获取环境以及生理数据，从而有效地管理所面临的危险。电子系统设计工程师将从本文了解如何构建这样一个大型的安防系统。
关键词： 智能传感器；无线网络；安防技术
构建人、机器和环境互联的系统
采用基于智能传感器的无线网络提高采矿安全性，首先要定义一个由人、机器和环境三要素互联构成的执行想要功能的大系统，这一系统具有让采矿工人能够知晓环境状况的功能。其模型如图1 所示，这个模型的关键能力包括：通过传感器来测量机器、环境以及人的重要属性的感知能力；通过采用嵌入式计算机实现信息的检测、采集和显示等信息处理能力；通过由人做出决策和采取行动的能力。
图1 基于传感器的环境状况感知系统的信息处理模型
为了支持这一信息处理模型，有三种重要的技术正在形成并融合，它们分别是无线传感器网络、低功耗嵌入式计算机以及智能传感器。计算机和智能传感器技术发展很快且相对成熟。无线传感器网络仍然在形成之中。为了向采矿工人提供感知环境状况的能力，必须构建基于上述模型的、支持实现无线智能传感器网络的基础设施。
采用无线传感网构建感知环境状况的网络
具有内建智能的传感器—无论用户是否明显感觉到—可被称为智能传感器。智能被部分或全部地集成在单一芯片之上。智能传感器除了产生代表感知量的输出之外，还添加了其它的功能。典型的智能传感器包括可被集成在一颗裸片上的物理变送器、网络接口、处理器以及存储器。
物理变送器可以被制作得非常小，因为制造集成电路所采用的硅显微加工技术，目前被用于创建作为智能传感器的有机组成部分的微机电系统(MEMS)。因为智能传感器制造所采用的工艺技术，与制造集成电路所采用的工艺技术类似，所以，智能传感器的成本降低和功能增加的规律与集成电路所经历的规律类似。据Frost&Sullivan 公司对世界各类传感器市场的发展的预测，MEMS 传感器将成为全世界增长最快的产品之一。
智能传感器市场的增长使得智能传感器标准应运而生。IEEE1451 标准定义了一种标准变送器接口模块(STIM)，其中，包括传感器接口、信号调理和转换、校准、线性化
以及网络通信。本质上，该标准使智能传感器具有即插即用功能，从而可被连接至智能传感器网络之上。该标准由IEEE 1451.1、1451.2、P1451.3 和P1451.4 组成。目前，最新的IEEE1451.5(无线传感通信接口标准)与Zig Bee 联盟、Z-Wave 联盟、Wireless USB 传感器网络等形成了百家争鸣的局面。
利用可穿戴人体传感器构建人体倒地监测系统
可穿戴人体传感器系统的功能是持续实时测量和检测工人的生理条件。以BodyMedia 公司所提供的人体传感器系统为例，如图2 所示，这种手臂传感器能够不更换电池就实现14 天连续的监测，能够存储14 天连续监测获得的生理数据，并让用户能够设置特殊事件的时间戳。它采集、分析、传输和存储像加速度、耗能、身体活动持续时间、步数、行走距离、睡眠/清醒状态、运动、热流量、皮肤温度以及电击皮肤反应等等生理数据。这种系统最初主要用作保健和安全研究工具。
图2 结合了SenseWear PRO2 的手臂传感器
图片来源：BodyMedia
在这种系统中，加速度传感器将获得广泛的应用，例如，对于工作在动态危险环境中的矿工、消防队员以及应急救援人员来说，可能因倒地(如从屋顶、支架和山坡上跌
倒)、滑倒、绊倒、跌落、或因运动的机器打中和摔倒而丧失正常人的行为能力。在所有这些灾难中，通过采用加速度传感器测量冲击力，就能够监测矿工可能遭受身体撞击的危险。此外，通过加速度传感器还能够监测人体是否在移动，从而显示该矿工是否已经丧失行为能力。例如，用于灭火队员的TPASS-3 EVACUATE 就是一种具有监测人跌倒功能的系统，如果人体在18~23 秒内被监测发现停止移动，就会自动向中央指挥基地发出信号。
人体倒地监测系统对于采矿工人非常重要，因为矿工可能会蹲下来找工具或材料，或弯腰检查或维修设备，并且他们的工作环境的特点是黑暗、充满灰尘和噪声，可以想
象当一个矿工或处于类似工作环境的工人受伤时，其邻近的矿工未必立即就察觉。例如，遥控连续采煤机可能因噪声以及挡住工人的视线而击中位于机器盲点的工人，特别是在机器前进过程中，伤害可能会更严重，而人体倒地监测系统可以为营救受伤工人赢得宝贵的时间。
如图3 所示为一种人体倒地监测系统构成的示意图。从中可见，系统小到可以穿戴且具有成本经济性，因此，适合于每一个矿工佩戴。
图3 一种人体倒地监测系统构成的示意图
构建基于传感器节点的安全、智能的采矿环境
为了维护矿工在工作情况下的健康和保护他们在紧急情况下的和安全，需要构建一种智能的环境，其中的关键要素就是传感器节点。图4 为一个智能矿井环境的示意图。
图4 智能矿井环境的示意图
在这个智能矿井环境中，各个传感器节点提供通信并采集关于采掘机械位置、矿井顶部、支撑架状况、横切面流量、矿工位置和状态以及矿井空气等数据，从而在工作期
间就矿工的监控和面临的不安全危险发出报警。例如，当矿井顶部坍塌时，受伤矿工即使丧失了行为能力，这种智能的环境也会自动地发出报警。这种智能环境的功能也可被进一步地扩展，以帮助矿工们在紧急情况下找到最佳逃生路线或其他矿工，特别是在烟雾造成能见度下降的情况下。
在此，传感器节点由一个微片(也被称为“尘埃”)和传感器构成，如图5 所示。微片通常具有处理器、存储器、无线连接性以及一个作为电源的微型电池。它可以具有低带宽以支持有限数据的传输，或具有高带宽以支持流视频、图像和音频的传输。例如，由Crossbow Technology 公司提供的MICAz 就是一种商用、高带宽传感器微片，可以 采集诸如温度、速度以及振动这样的物理和环境特性。新一代的MICAz 微片具有长达3 年的寿命、小于1 立方毫米的体积以及不超过15 美分的成本。
图5 由传感器和微片构成的传感器节点
图片来源：Crossbow Technology
作为传感器节点的另一个组成部分的传感器，正从尺寸、成本和功能方面快速发展。例如，专门用于人体倒地监测的MEMS 双轴加速度传感器已经出现。随着商用无线传
感器节点和网络的发展，完整的无线传感系统已经上市，它们通常配备了开发和原型设计工具，便于设计工程师从事智能采矿环境的系统集成设计。
构建系统所需要的可佩带数字显示组件
可佩带数字显示器也被称为头戴显示器、头盔显示器以及个人显示器。这些显示器被分为三类：
●环视显示器：在提供视觉信息的同时不阻碍用户观看周围的环境或手上的任务；
●透视显示器：把图像叠加在用户的全景观看上；
●沉浸显示器：常用于娱乐、培训、仿真和虚拟现实之中。
其中，环视显示器最适合于在危险环境中工作的工人佩戴。例如，MicroOptical 公司和Icuiti 公司就提供这种显示组件，它们可以被直接安装在现有的安全眼镜上，观看者可以选择左眼或右眼观看。如图6 所示为MicroOptical 公司的SV-6 PC 数字显示组件的实例。
图6 SV-6 PC 安装在安全眼睛上
图片来源：MicroOptical 公司
结语
据统计资料显示，从2001 年至2004 年10 月底，中国煤矿共发生一次死亡10 人以上的特大事故188 起，平均每7 .4 天一起。2003 年全球煤炭产量约50 亿吨，煤矿事故死亡总数约8 000 人。当年中国煤炭产量约占全球的35%，事故死亡人数则占全球的80%左右。2003 年国内煤矿平均每人每年产煤321 吨，效率仅为美国的2.2%、南非的8 .1%；而百万吨死亡率是美国的150 倍、南非的30 倍。
从对比数字可知，中国煤矿安全生产状况与国外主要采煤国相比，差距大太。为此，2007 年，中国政府发布了《国务院安委会办公室关于进一步加强煤矿安全监控系统建 设和监督管理的通知》(安委办〔2007〕11 号)，这就为先进技术在提高采矿作业环境的安全性上提供了政策支持，因此，本文介绍的智能化采矿环境的概念值得引起行业关注。
智能矿井环境示意图