CDMA矿井安全远程无线监测应用方案

　　摘要：本文提供了一种基于CDMA网络的矿井安全远程监测系统设计原理和实现方案，简要介绍了CDMA技术的基本知识，描述了CDMA网络在矿井安全远程监测系统的实现方法。通过实际应用，获得了理想的效果.
　　关键词：CDMA；DTU；Internet；厦门才茂；矿井；
　　前 言
　　煤矿安全已成为全国工业安全的重中之重。目前国内的煤炭生产安全事故不断发生，特别是瓦斯爆炸事故接连发生，给人民生命财产带来了巨大损失，在国内外造成严重影响。党中央、国务院高度重视煤矿安全工作，相继采取了一系列重大举措，地方各级政府也做了大量工作。应如何有效遏制重特大安全事故的发生已成了矿井安全最重要的一个环节。
　　随着企业信息化的不断深入，安全生产信息化成为企业信息化首当其冲的重要内容。利用现代化的信息技术手段，建设安全生产监督管理信息网络系统，才能将安全生产监督管理工作做好。 目前国内煤矿行业中，多数企业都已经或正在进行生产调度、监测监控等系统的建设，这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用；但是由于各种系统建于不同时期，使用不同的技术，各系统无法有效的集成，使安全生产监测监控信息不能很好的整合、利用。将安全生产监测监控信息及时、准确的传送到各级相关人员手中，缺乏有效的手段。
　　系统需要在地面的中央控制室可对全矿井生产过程及设备实现自动化监测和无人职守控制，并能把信息通过网络传送给矿级领导，使领导在办公室即可随时了解生产、安全等信息，实现全矿井的统一调度和统一管理。需要系统的信息由下而上逐级集中，可与矿务局、焦煤公司的局域网内的计算机联网，实现实时远程查看。而控制既可集中于监控层操作，也可分散于设备控制层实施。各个子系统均可独立自成体系，可以按照矿井要求分步配置，进而实现最佳方案。
　　针对这些问题，厦门才茂研发出矿井安全CDMA无线远程监测系统，实现煤矿生产有效监管，预防和减少安全生产事故的频发。该系统具有可靠运行性，数据采集实时性强，有效的解决了其他通信方式存在的各种问题。在保证数据传输的及时性、准确性的前提下，将系统运行费用降低到了最低；同时，网络通讯链路由专业的网络运营商（中国电信）来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路等问题；节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。
　　系统简介
　　1.系统简介 矿井安全CDMA无线远程监测系统，依托稳定、可靠的中国电信CDMA 网络，采用先进成熟军工级的CDMA 无线数据终端为远程传输设备，基于标准的TCP/IP协议，实现了监测系统无线数据采集功能，为不具备有线传输条件的煤矿生产点，提供了成本低、见效快、高效率的数据传输平台，为煤炭企业安全生产提供强有力的监察手段。
　　2.CDMA 系统简介 CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，它是在数字技术上的分支—扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现数据传输。
　　CDMA是目前解决移动通信信息服务的一种较完美的业务，它是以数据流量计费、覆盖范围广泛、数据传输速度更快。CDMA的推出，为行业和企业用户开展无线办公提供了基础设施平台，为推动移动办公的应用和发展创造了有利条件。与有线网络相比，CDMA网络具有租用费用低、移动办公，不受地域制约等优点。CDMA的出现为企业和行业用户开展无线办公提供了一种新的选择。 随着新一代CDMA移动通讯业务的产生和全面投入，无线移动数据通讯的应用也越来越广泛。高速的数据传输和永远在线特点，配合按流量收费的资费方式，使CDMA通讯在监控监测应用具有无可比拟的性价比优势。采用CDMA无线通讯网络的移动IP通讯，既可独立作为数传通道，也可作为已经架设光纤、数传电台等方式的辅助手段。 监控系统组成

矿井监测系统拓扑图

1. 系统组成
　　a． 安全数据采集 矿井原始数据采集（使用RS485、RS232等接口直接采集瓦斯、一氧化碳以及硫化氢等有害气体的浓度以及挖掘深度等数据）；告警阀值数据设定（设定有害气体的告警阀值，用以进行告警判断）； 将实时数据通过远程无线网络传输到上一级单位； 上级单位接收下属各矿上报的实时数据，并存入本地实时数据库；
　　b. 安全信息告警 告警信息生成（将矿井的原始数据和告警阀值进行比较，如果超过值则产生告警）； 告警数据上报上级单位（将告警数据上报给上级单位）； 逐级通知安全责任人（根据告警策略将告警信息逐级发送到安全责任人的手机上，督促其尽快处理）。在通知安全责任人时，可以根据告警策略的设置，分级分时通知安全责任人。当同时发生几种告警时，根据系统的设定可以自动选择发送优先级，例如同时发生瓦斯和硫化氢告警时优先发送瓦斯告警）。
　　c. 安全信息分析统计 系统定期将安全信息进行汇总、统计，并可输出各种报表。 d. 基本管理 信息源管理（对原始数据和告警阀值数据进行配置和管理）； 告警策略管理（配置安全数据的告警策略，例如通知安全责任人的顺序和时间等）； 数据管理（数据库备份、恢复等功能）；
2. 系统特点
　　a. 永远在线： CDMA 无线数据终端一开机就能自动附着到CDMA 网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据，具有很高的实时性；
　　b. 按流量计费：CDMA 无线数据终端，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用；
　　c. 高速传输：CDMA网络的传输速度最快将达到230.4kbps，速率的高低取决于移动运营商的网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供120~140Kbps 的稳定数据传输；
　　d. 组网简单、迅速、灵活：CDMA 无线数据终端系统可以通过Internet 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，为广大中小用户提供接入便利，节省接入投资；
　　e. 通信链路由专业运营商维护：由于采用中国电信的CDMA 数据业务，因此链路维护也由中国电信负责，免除通信链路维护的麻烦
　　f. 防雷击与静电：由于采用中国电信的CDMA 数据业务，所以在不影响上网的前提下，CDMA 无线数据终端的发射功率非常小，天线非常短，而且无需高架，克服了有线传输和无线电台传输容易引雷击坏设备与产生静电导致危险的缺点。
3. 系统功能
　　（1）系统具备的功能有：监测瓦斯、风速、负压、温度、一氧化碳、馈电及风门开关等环境参数，还可以监测煤仓煤位、水仓的水位及主要机电设备开停等生产参数；监测电压、电流、功率等电力参数；机电设备运行保护参数。
　　（2）配接更大的面积上显示更多的工艺流程模拟图、监测曲线、表格和文字。① 系统生成及操作； ② 测点生成及操作； ③ 工艺流程模拟图形显示； ④ 各测点数据表格显示； ⑤ 井上、井下各类模拟量参数的实时表格、柱状图、变化曲线显示； ⑥ 井上、井下主要设备开停等开关量的实时值和开/停时间显示； ⑦ 原煤产量等累计量的实时值和累计值显示； ⑧ 各类报警除表格显示外，还有声讯信号； ⑨ 时钟和日期显示； ⑩ 系统相关设备及软件操作说明跟踪显示。
　　（3）系统可配置显示屏，可以显示动、静态模拟图形、数据表格、历史曲线、分层显示采掘平面图、测点配置，实时数据显示等。也可通过显示屏控制主机编制矿井实时矿井安全信息或提示。 　　　　　　　　（4）系统的人机界面十分友好，所有显示和打印有操作人员只要用鼠标进行简单的点击即可，任何人都可方便使用，即使偶尔有错误的操作也不会影响系统的正常工作。为了确保系统配置等信息不被破坏，专门为系统管理人员、普通操作人员定义了操作权限并配置相应的口令密码，只有口令密码正确才能进入系统进行操作权限范围内的操作。
　　（5）系统所有被检测的参数、开/停信息及累计量累计、存储，并可连续保持一年（系统软件每三分钟存盘一次），如有特殊情况可保存更长时间，这些数据可随时用表格、二维曲线等形式显示出来，可以打印保存。对重要设备用户能够调整模拟量或设备开停信息和存储时间。
　　（6）系统有简便的绘图工具。所有动态、静态图都可由矿上一般操作人员绘制（绘图时不影响主机实时监测功能）。
　　（7）系统具有列表显示功能。模拟图及相关显示内容包括地点、名称、单位、报警门限、断电门限、监测值、最大值、平均值、最小值、断电命令、馈电状态、超限报警、断电逻辑不符报警、传感器故障、封锁与解锁等。开关量显示内容包括地点、名称、开/停时刻、状态、工作时间、开停次数、传感器状态、闭锁与解锁等。累计量显示内容包括地点、名称、单位、累计量值等。
　　（8）系统具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能。在同一坐标上用不同颜色显示最大值、平均值最小值曲线。在一屏上，同时显示6 个模拟量曲线，并设时间标尺，可显示出对应时间标尺的模拟量。
　　（9）系统具有柱状图显示功能。能直观地反映开机率、开/停次数、传感器状态、闭锁与解锁等，并设时间标尺。
　　（10）系统具有模拟动画显示功能。能形象、直观、全面地反映安全生产状况。点击设备图标即可显示该设备的有关内容，包括工艺流程模拟图、相应设备开停、相应模拟量数值和曲线等。 　　　　　　（11）方便地由用户自行生成各类表格，打印所要求的各类数据表格、图形及曲线。
　　（12）对各类报警信息进行处理，并实时进行存储和报警。传感器数值超限时声光报警提示，并在监控主机的相应的条目以变换背景颜色和闪烁的方式提醒用户发出报警信号的具体设备及安装地点。
　　（13）系统具有防雷电功能，再加上接口和分站的光电隔离；为了确保万无一失，专门在主传输电缆联接监测主机端配置了法国生产的避雷器。
4．系统设计原则
● 根据用户的使用要求；
● 根据煤炭行业标准GB3836-2006 和新版《煤矿安全规程》规定的要求来选型；
● 技术先进、成熟，功能实用性强，确保可靠；
● 组合方便，扩展性能好。能为以后系统扩展留有充分的余地，为系统升级提供便利；
● 开放性与兼容性良好，能实现系统的软、硬件连接；系统之间充分开放，互容度高；
● 扩展功能多样化，系统通过联机实现信息交换、监视、控制和管理；
● 优化设备功能以达到经济、有效，减少维护、管理人员；
● 人机界面良好，运行管理方便，数据准确，反应迅速，操作简便。 系统监测指标 矿井安全远程监测无线网络系统是一个集电子技术、网络通信、传感器技术、数据采集、信号处理、信息管理以及软件工程等多任务、多层次、多种技术于一体的综合系统。矿井安全远程监测无线网络系统由地面监控中心站、CDMA 无线数据终端、各种井下分站、井下隔爆兼本质安全型多路电源、远程断电器、各种矿用传感器和矿用机电控制设备，及安全生产监测软件组成。
整个系统组成拓扑图。
A 通信服务器负责实现行业数据通信协议、数据代理转发、通信设备状态监控等功能；
B 监控中心服务器实现数据分析、存储、反控等功能；
C 数据库服务器进行数据存储、备份；
D WEB服务器实现实时监控、数据管理、业务管理等功能。 具体实现时通信服务器、监控中心服务器、数据库服务器、WEB服务器可以安装在一台服务器中，也可以安装在不同服务器中。如果行业客户要求对终端进行终端IP绑定，需要安装RADIUS服务器，为系统提供AAA认证和IP绑定功能。 推荐省级监控中心通过APN专线接入到电信CDMA网，这种方式安全性高、稳定可靠。各级监控中心相互之间通过VPN相连。 各监控点使用用CDMA终端，通过电信的网络与监控中心相连。
五、CDMA数据传输终端

CDMA数据传输终端实现监控中心主站与监控终端的通讯。本系统中采用CM6550P CDMA DTU。该DTU功能与特点如下： 无线参数
1、 支持IS-95 A/B 和CDMA2000 1xRTT无线网络
2、 支持13K QCELP音频编解码
3、 支持数据、语音、短信和传真
硬件系统
4、 CPU：工业级高性能ARM9嵌入式处理器，200MPS,MMU,16KB Dcache,16KB Icache
5、 FLASH：8MB，可扩充到32MB
6、 SDRAM：64MB，可扩充到256MB
7、 接口：
1个RS232串口。（根据需要，可支持RS422/RS485），串口速率110~230400bits/s 指示灯：具有电源、通信及在线指示灯。 天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。 UIM卡接口：3V/5V标准的推杆式用户卡接口。 电源接口：标准的3芯火车头电源插座。 语音接口：标准的耳机麦克风接口。
8、 供电：
外接电源：DC 9V 500mA 宽电压供电：DC 5-35V 通信电流：350mA 待机电流：35mA
9、 尺寸
外形尺寸：92.7x61.3x23 mm（不包括天线及固定件）
10、 其他参数:
工作环境温度 -25~+65ºC 储存温度 -40~+85ºC 相对湿度 95%(无凝结) 软件功能
1. 智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虚拟值守VWM（Virtual Man Watch）功能，确保系统稳定可靠
4. 支持虚拟数据专用网（APN）
5. 透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式
6. 支持数据中心动态域名和IP地址访问
7. 支持双数据中心备份
8. 支持多数据中心
9. 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。
10. 支持短消息备份及告警。
11. 多重软硬件看门狗
12. 数据包传输状态报告。
13. 标准的AT命令界面
14. 可以用做普通拨号MODEM
15. 支持telnet功能。
16. 支持远程配置，远程控制
17. 通过串口软件升级
18. 同时支持LINUX和WINDOWS操作系统 19. 整机功耗小于3W 20. 完善了CDMA网络中所出现的假拨号，掉线自动重启，远程唤醒等功能；
21. 支持远程控制及动态域名解析；
22. 同时更具嵌入式系统要求，可提供内置式模块（不带外壳，可通过插针与嵌入式直接系统相连）；
23. 同时还有软硬件双重看门狗，在DTU不能正常工作时，能够自动断电复位。
六、具体监测指标
1、 现场采集传输 现场采集子站由二次仪表连接传感器通过RS-232通讯口与CDMA 无线数据终端连接，每一个CDMA无线数据终端装入一个中国电信的数据SIM 卡。为防止井下瓦斯煤尘火灾等事故危害人身和设备安全，在井下各采区工作面、掘进头及主要巷道、机电峒室等处设置瓦斯、温度、一氧化碳、风速、负压等各类环境监测传感器，在风门处设置风门开关对井下通风环境设施的状况进行监测，并对风机等机电设备的运行状况监测和控制，分站将监测信息传送到地面中心站。当瓦斯等参数超限时（可根据具体情况自行设置断电、复电值），可对有关设备进行实时断电。系统将充分利用煤矿现有传感器及技术资源，并保证所有传感器（采集频率为200-1000Hz 的标准信号。部分厂家的传感器输出为4-20mA，可以通过 “信号转换器”来转换为200-1000Hz 信号）在接入系统后能正常工作。 井下分站和传感器安装在井下具有煤尘、沼气、一氧化碳等危险气体的环境中，对煤矿井下的各种安全、生产参数进行实时监测和处理，并将安全生产参数经由CDMA 无线数据终端及时传输到地面中心站。各种数据由分站和中心站处理，并能按要求直接发出声、光报警和断电控制信号。地面中心站经过CDMA 无线数据终端采用CDMA 网络与井下分站联结通信。通过系统可以准确，全面地了解井下安全情况和生产情况，实现对灾害事故的早期预测和预报，并能及时地自动处理。生产调度人员可以掌握井下设备运行情况，准确地指挥生产。
2、监控中心 矿井安全远程监测无线网络系统的监控中心为地面联网（公网固定IP或移动内网固定IP）的2 台计算机：监控主机和副机，当主机出现故障时，副机立即代替主机进行监控，计算机通过通信接口不断地与各个分站进行数据通信，分站和测点可分布于地面或井下任何地方，分站采集各测点传感器的信号，通过CDMA 无线数据终端与通信接口相连，向主机传递数据，同时分站又不停地对所接的传感器巡测，进行数据预处理、显示或根据需要控制输出。系统主机不断地把接收到的各分站测点数据实时处理、显示并定时存盘。
七、电信公司专线APN传输方式 根据企业对网络安全的特殊要求，厦门才茂通信技术有限公司设计了基于CDMA网络的数据传输方案，采用了多种安全措施，主要包括： ．通过一条2M 专线接入电信公司CDMA网络，双方互联路由器之间采用私有IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。 ．为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于CDMA专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。 ．客户可自建一套RADIUS服务器和DHCP服务器，GGSN向RADIUS服务器提供用户主叫号码，采用主叫号码和用户账号相结合的认证方式；用户通过认证后由DHCP服务器分配企业内部的静态IP地址。
端到端加密：
移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。
．双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。 电信业务流程 CDMA专网系统终端上网登录服务器平台的流程为： 1）用户发出CDMA登录请求，请求中包括由电信公司为CDMA专网系统专门分配的专网APN； 2）根据请求中的APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到与企业服务器平台连接的GGSN，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN； 3）GGSN将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至Radius进行认证； 4）Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求，向DHCP服务器请求分配用户地址； 5）Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址的确认信息； 6）用户得到了IP地址，就可以携带数据包，对CDMA专网系统信息查询和业务处理平台进行访问。 九、安全方案 第一级：安全的网络接入层 使用电信公司分配的专门的APN进行无线网络接入； 分配特定的手机号：手机主叫号在移动GSM交换机生成，已经进行了加密，资深的网络黑客也是很难伪造手机号的。 电信在网络侧HLR网元给手机号和APN做了绑定，只有属于行业的手机号才能访问专用APN。黑客拿着其他手机号的CDMA终端根本无法呼叫专门的APN。 第二级：安全的终端认证 数据中心可以给每个CDMA终端分配特有的用户ID和密码，交换机资深黑客即使伪造了合法的手机号，但是数据中心分配给GPRS终端的用户ID和密码没有，依然与数据中心建立不了呼叫，而数据中心可以周期性命令各电表数据采集点将用户ID和密码改掉。 第三级：安全的防火墙过滤 通过物理防火墙设置访问权限 第四级：安全的应用系统 业务数据在传输前进行加密压缩，保障数据在传输过程中的安全性。应用系统提供强大的分级权限管理，保障数据在使用过程中的安全性。
十、综 述
综上所述，矿井安全远程监测无线网络系统是一种适用于大中型矿井的无线网络、计算机监控调度系统，该系统软件紧跟监控系统软件发展的潮流，界面友好，图形功能强大，可在大屏幕上显示矿井生产系统动态模拟图，帮助矿领导和调度员了解本单位主要生产设备及运行环境参数，及时调度生产，防止事故，安全生产。在大中矿井和工厂具有良好的推广应用前景。