基于WSN兼有语音通信的矿井安全监控系统研究

针对目前井下语音通信的现状，提出了基于无线传感器网络兼有应急语音通信功能的实时环境监控系统，该系统以Stargate和Imote2开发板为核心设计传感器节点，并对系统体系结构、软硬件设计以及具有优先级语音和井下环境监测调度算法进行了研究。实验表明，该系统简单、可靠、经济，同时并兼顾井下语音通信和环境监控的实时性、公平性。

目前，井下语音通信系统主要方式有：1) 井下小灵通；2) 依靠调度电话；3) 依赖于传感器网络技术的语音通信系统[1] [2] [3]。很显然，前两种在矿井正常生产时能够很好地发挥作用，一旦发生紧急情况(如电力中断、矿难等)，其缺点就暴露无遗：依靠井下小灵通会失去信号，有线网络的调度电话也被阻断，整个语音通信网络处于瘫痪状态，但依赖于多跳自组织的无线语音传感器网络仍可工作，即使发生矿难，救援人员可通过钻孔，放置信标节点，利用传感器网络自愈性能，即可与井下节点建立通信，从而和井下被困矿工语音通信，保障营救工作快速有序的展开[4]。

本文在文献[5] [6]的基础上，对基于WSN 井下安全监控系统实时语音通信进行研究，从系统体系结构、软硬件设计以及具有优先级的语音和环境监控调度算法等方面进行详细设计。系统在语音通信和环境监控方面，采用具有优先级任务调度算法来保证语音通信和环境监控的实时性、公平性和可靠性。

2. 兼有应急语音通信实时环境安全监控系统的体系结构 图1 给出了矿井安全监控系统的整体框架图，包括井上PC 监控子系统和井下WSN 监测子系统。井上子系统主要由监控终端、综合环境监控平台(瓦斯浓度、CO 浓度、温度、湿度、灰尘、烟雾、风机以及气压等信息收集与实时分析)、语音监控平台(接收井下设备或者矿工呼叫以及向设备和矿工发布工作指令等)、数据库服务器(记录和保存各种监测相关数据也包括语音信息)构成；井下子系统主要由各种各样的传感器节点构成。根据是否经常移动，分为相对固定节点(功能较强的Sink 节点)和移动节点(普通的Sensor 节点)两类，相对固定节点主要安排在巷道的拐弯处或直巷道的固定位置，用于采集巷道相关信息(如瓦斯浓度、CO 浓度、应急语音呼叫等)，转发其它节点的通信数据，保持无线链路畅通；移动节点主要用于每个矿工或机器所处位置的监测，可安装在矿工的矿灯上，也可安装在挖掘机等设备上，还可随机安装在瓦斯等信息涌出变化较快的关键位置。

从图1 中还可看出，井上PC 监控子系统各部分通过有线(如RJ45)彼此连接，而井下WSN 监测子系统主要由功能较强的分站(Sink)节点和普通Sensor 节点通过无线相连。环境安全监测数据仅从井下传送到井上，而语音通信可双向传输。