Модуль многопараметрического мониторинга окружающей среды подземной угольной шахты со встроенными датчиками: применение радио приемопередающего модуля УВЧ-диапазона

Автор(и)

  • А. Гош Технологический институт Бердуэн Индия, Западная Бенгалия, Бердуэн, Індія https://orcid.org/0000-0001-7975-7310
  • П. К. Мишра CSIR — Центральный институт добычи и исследования топлива Индия, Джхаркханд, Дханбад, Індія https://orcid.org/0000-0001-8714-7299

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347022040045

Ключові слова:

Подземная угольная шахта, параметры окружающей среды, УВЧ диапазон, дальняя беспроводная связь, платформа Arduino, радио модуль XBee S8

Анотація

Постоянный контроль окружающей среды подземной угольной шахты необходим для обеспечения рабочих условий в шахтах с максимальным уровнем безопасности. Для мониторинга безопасности необходимо создать сеть активной коммуникации и информации, которая будет быстро и эффективно выявлять состояние окружающей среды в шахте, и принимать необходимые меры для предупреждения и оповещения рабочих о состоянии окружающей среды в зоне добычи. Эта задача может быть решена с помощью технологии дальней беспроводной связи. В данной работе разработан и спроектирован модуль со встроенными датчиками для мониторинга многих параметров окружающей среды, таких как температура, влажность, содержание метана, угарного газа, водорода и угольной пыли. Эти мульти-параметрические датчики постоянного контроля связаны посредством интерфейса с микроконтроллером Arduino. Для осуществления дальней связи использовано приемопередающее устройство ультравысокой частоты (УВЧ) XBee S8. Указанные параметры прогнозировались для оценки безопасности в подземной угольной шахте. Предложен новый подход к процессу градуировки газовых датчиков и датчика угольной пыли в воздухе подземной шахты для достижения желательной концентрации газов и плотности пыли в воздухе подземной шахты. Компьютер подключен через интерфейс к системе многопараметрического мониторинга окружающей среды. Успешные лабораторные испытания проведены в реальных условиях. Кроме того, обсуждаются вопросы, связанные с диапазоном регулирования устройства радио приемопередатчика УВЧ и управлением питания встроенного модуля контроля.

Посилання

L. K. Bandyopadhyay, S. K. Chaulya, P. K. Mishra, Wireless Communication in Underground Mines. Boston, MA: Springer US, 2010, doi: https://doi.org/10.1007/978-0-387-98165-9.

A. R. Chowdhury, A. Pramanik, G. C. Roy, “On wireless communication in underground mine system,” in Proceedings of the 2nd International Conference on Communication, Devices and Computing, 2020, pp. 159–169, doi: https://doi.org/10.1007/978-981-15-0829-5_16.

S. K. Chaulya, G. M. Prasad, Sensing and Monitoring Technologies for Mines and Hazardous Areas. Elsevier, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/C2014-0-02742-6.

Y. Nugroho, R. Iman, M. Saleh, “Effect of humidity on self-heating of a sub-bituminous coal under adiabatic conditions,” Fire Saf. Sci., vol. 9, pp. 179–189, 2008, doi: https://doi.org/10.3801/IAFSS.FSS.9-179.

A. H. Clemens, T. W. Matheson, “The role of moisture in the self-heating of low-rank coals,” Fuel, vol. 75, no. 7, pp. 891–895, 1996, doi: https://doi.org/10.1016/0016-2361(96)00010-5.

P. Sarkar, “Standards and safety provisions of diesel equipment for using in belowground coal and metalliferous mines,” 2018. https://www.dgms.gov.in/writereaddata/UploadFile/Cir_2018_01_SnT_Tech636707023791212360.pdf.

P. Mishra, . Pratik, M. Kumar, S. Kumar, “Wireless carbon monoxide monitoring system using Intel Galileo platform,” in NexGen Technologies for Mining and Fuel Industries, 2017, pp. 635–638.

S. M. Ledange, S. S. Mathurkar, “Robot based wireless monitoring and safety system for underground coal mines using ZigBee,” Int. J. Electron. Commun. Eng., vol. 3, no. 10, pp. 29–32, 2016, doi: https://doi.org/10.14445/23488549/IJECE-V3I10P106.

M. Sharma, T. Maity, “Low cost low power smart helmet for real-time remote underground mine environment monitoring,” Wirel. Pers. Commun., vol. 102, no. 1, pp. 149–162, 2018, doi: https://doi.org/10.1007/s11277-018-5831-1.

J. B. Riggs, “Method for controlling H2 /CO ratio of in-situ coal gasification product gas,” U.S. Patent No. 4,476,927, 1984.

S. K. Ray, R. P. Singh, N. Sahay, N. K. Varma, “Assessing the status of sealed fire in underground coal mines,” J. Sci. Ind. Res., vol. 63, no. 7, pp. 579–591, 2004, uri: http://nopr.niscpr.res.in/handle/123456789/5458.

N. Mohalik, R. Singh, V. Singh, D. Tripathi, “Critical appraisal to assess the extent of fire in old abandoned coal mine areas - Indian context,” in Coal 2009: Coal Operators’ Conference, 2009, pp. 271–280, uri: https://ro.uow.edu.au/coal/109/.

P. K. Mishra, S. Kumar, Pratik, M. Kumar, J. Kumar, “IoT based multimode sensing platform for underground coal mines,” Wirel. Pers. Commun., vol. 108, no. 2, pp. 1227–1242, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s11277-019-06466-z.

Y. Fang, Q. Li, Z. Chen, C. Tu, “Development of simulator for mine dust and disturbing environment,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 740, no. 112006, 2020, doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/740/1/012006.

D. S. Vujić, J. D. Ćertić, “Modelling of ultra high frequency television band radio signal propagation in underground mine environment,” Wirel. Networks, vol. 25, no. 4, pp. 2117–2128, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s11276-018-1801-5.

С. Я. Жук, И. О. Товкач, Ю. Ю. Реутская, “Адаптивная фильтрация параметров движения источника радиоизлучения на основе TDOA-измерений сенсорной сети при наличии аномальных измерений,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 62, № 2, с. 81–92, 2019, doi: https://doi.org/10.20535/s002134701902002x.

I. Digi, “XBee 868LP RF Module User Guide,” 2018. uri: https://www.digi.com/resources/documentation/digidocs/pdfs/90002126.pdf.

U. D. Atmojo, Z. Salcic, K. I.-K. Wang, H. Park, “System-level approach to the design of ambient intelligence systems based on wireless sensor and actuator networks,” J. Ambient Intell. Humaniz. Comput., vol. 6, no. 2, pp. 153–169, 2015, doi: https://doi.org/10.1007/s12652-014-0221-3.

W. Chen, X. Wang, “Coal mine safety intelligent monitoring based on wireless sensor network,” IEEE Sensors J., vol. 21, no. 22, pp. 25465–25471, 2021, doi: https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3046287.

П. К. Мишра, А. Свайн, С. Кумар, С. К. Мандал, “Беспроводная пейджинговая система для работы в рудниках,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 64, no. 1, pp. 17–30, 2021, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347021010027.

Q. Wang, J. Wei, “Design of temperature control device underground coal mine based on AT89S52,” in 2009 2nd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System (PEITS), 2009, pp. 36–39, doi: https://doi.org/10.1109/PEITS.2009.5406880.

S. Yang, Y. Pan, “The application of the Wireless Sensor Network (WSN) in the monitoring of Fushun Reach River in China,” in 2010 Second International Conference on Computer and Network Technology, 2010, pp. 331–333, doi: https://doi.org/10.1109/ICCNT.2010.70.

C. Hui, “Research of intelligent gas detecting system for coal mine,” in International Conference on Computer and Computing Technologies in Agriculture, 2011, pp. 268–278, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-18369-0_31.

S. Baishun, P. Zhengduo, M. Guoying, “Design of the mine gas sensor based on Zigbee,” in Third International Symposium Computer Science and Computational Technology (ISCSCT 2010), 2010, pp. 77–81.

W. Wei, S. Hua, L. Changqing, “Wireless co sensor in mine hardware design based on zigbee,” in Third International Symposium Computer Science and Computational Technology (ISCSCT 2010), 2010, p. 455.

G. Bin, H. Li, “The research on ZigBee-based mine safety monitoring system,” in 2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering, 2011, pp. 1837–1840, doi: https://doi.org/10.1109/ICEICE.2011.5777745.

J. Song, Y. Zhu, F. Dong, “Automatic monitoring system for coal mine safety based on wireless sensor network,” in Proceedings of 2011 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference, 2011, pp. 933–936, doi: https://doi.org/10.1109/CSQRWC.2011.6037110.

C. Bo, Q. Xiuquan, W. Budan, W. Xiaokun, S. Ruisheng, C. Junliang, “RESTful web service mashup based coal mine safety monitoring and control automation with wireless sensor network,” in 2012 IEEE 19th International Conference on Web Services, 2012, pp. 620–622, doi: https://doi.org/10.1109/ICWS.2012.106.

R. Boddu, P. Balanagu, N. S. Babu, “Zigbee based mine safety monitoring system with GSM,” Int. J. Comput. Commun. Technol., vol. 3, no. 5, pp. 63–67, 2012.

K. M. Dange, R. T. Patil, “Design of monitoring system for coal mine safety based on MSP430,” Int. J. Eng. Sci. Invent., vol. 2, no. 7, pp. 14–19, 2013.

C. Zhao, F. Liu, X. Hai, “An application of wireless sensor networks in underground coal mine,” Int. J. Futur. Gener. Commun. Netw., vol. 6, no. 5, pp. 117–126, 2013, doi: https://doi.org/10.14257/ijfgcn.2013.6.5.11.

J. Wang, F. Wang, Z. Fan, “Mine environment monitoring system based on wireless sensor network,” TELKOMNIKA Indones. J. Electr. Eng., vol. 11, no. 7, 2013, doi: https://doi.org/10.11591/telkomnika.v11i7.2815.

Z. Xiaodong, T. Yuegang, H. Yan, “Research and application of embedded technology in remote network monitoring system of coal mine,” in The 26th Chinese Control and Decision Conference (2014 CCDC), 2014, pp. 4112–4116, doi: https://doi.org/10.1109/CCDC.2014.6852901.

Y. Zhang, W. Yang, D. Han, Y.-I. Kim, “An integrated environment monitoring system for underground coal mines—wireless sensor network subsystem with multi-parameter monitoring,” Sensors, vol. 14, no. 7, pp. 13149–13170, 2014, doi: https://doi.org/10.3390/s140713149.

M. A. Moridi, Y. Kawamura, M. Sharifzadeh, E. K. Chanda, H. Jang, “An investigation of underground monitoring and communication system based on radio waves attenuation using ZigBee,” Tunn. Undergr. Sp. Technol., vol. 43, pp. 362–369, 2014, doi: https://doi.org/10.1016/j.tust.2014.05.011.

W. Li, K. Dai, “Design of coal mine intelligent monitoring system based on ZigBee wireless sensor network,” in Proceedings of the 2016 International Conference on Mechanics, Materials and Structural Engineering, 2016, doi: https://doi.org/10.2991/icmmse-16.2016.31.

Y. S. Dohare, T. Maity, P. S. Paul, H. Prasad, “Smart low power wireless sensor network for underground mine environment monitoring,” in 2016 3rd International Conference on Recent Advances in Information Technology (RAIT), 2016, pp. 112–116, doi: https://doi.org/10.1109/RAIT.2016.7507885.

B. Jo, R. Khan, “An event reporting and early-warning safety system based on the Internet of Things for underground coal mines: a case study,” Appl. Sci., vol. 7, no. 9, p. 925, 2017, doi: https://doi.org/10.3390/app7090925.

T. Do, “Delicensing in 865-867 MHz band,” The gazette of India, 2008.

Ф. Ф. Дубровка, А. В. Толкачёв, “Однонаправленная сверхширокополосная тонкопрофильная вибраторно-щелевая антенна,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 58, № 4, с. 3–11, 2015, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347015040019.

R. Piyare, S.-R. Lee, “Performance analysis of XBee ZB module based wireless sensor networks,” Int. J. Sci. Eng. Res., vol. 4, no. 5, pp. 1615–1621, 2013.

S. Kumar, P. K. Mishra, J. Kumar, “Evaluation of measured digital output of gas sensors during spontaneous heating of coal,” IETE Tech. Rev., vol. 36, no. 6, pp. 594–599, 2019, doi: https://doi.org/10.1080/02564602.2018.1531736.

H. Ikeda, O. Kolade, M. A. Mahboob, F. T. Cawood, Y. Kawamura, “Communication of sensor data in underground mining environments: an evaluation of wireless signal quality over distance,” Mining, vol. 1, no. 2, pp. 211–223, 2021, doi: https://doi.org/10.3390/mining1020014.

Опытный образец передатчика модуля EMS

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-04-29 — Оновлено 2022-04-29

Як цитувати

Гош, А., & Мишра, П. К. (2022). Модуль многопараметрического мониторинга окружающей среды подземной угольной шахты со встроенными датчиками: применение радио приемопередающего модуля УВЧ-диапазона. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 65(4), 238–254. https://doi.org/10.20535/S0021347022040045

Номер

Том 65 № 4 (2022)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.