Wireless sensor networks for gas monitoring in underground coal mining
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Resumen
Monitoring the concentration of gases in underground coal mines is a manda- tory process that may save lives. Wireless Sensor Networks (WSNs) can alert mine personnel when dangerous levels of gases are detected, such as methane and car- bon monoxide that may cause explosions or poisoning of workers. WSNs must be designed to cover all active mining areas throughout a specified time horizon, thus, posing a trade-off between the cost of installation (i.e., sensors) and operation (i.e., energy consumption). While most literature on node deployment for WSNs in mines focuses on single objective functions, we propose a novel two-stage approach that allows users to address both the cost of installation and the WSN lifetime: in the first stage, our model provides the lowest cost solution that satisfies a user-specified mini- mum lifetime; in the second stage, the configuration of the WSN is modified in order to maximize its lifetime, subject to maintaining the number of nodes (and, hence, installation costs) from the first stage. Illustrative examples are presented regarding two real coal mines in Boyaca? (Colombia). As an evaluation, a WSN prototype for monitoring gases was designed and implemented in a real mine. It was used to check the operation of the solution obtained by the optimization algorithm, and to perform several tests and validate some of the restrictions of the model.
Resumen
El monitoreo de la concentración de gases en minas subterráneas de carbón es un proceso obligatorio que puede salvar vidas. Las redes de sensores inalámbricos (WSN) pueden alertar al personal de la mina cuando se detectan niveles peligrosos de gases, como el metano y el monóxido de carbono que pueden causar explosiones o envenenamiento de los trabajadores. Las WSN deben diseñarse para monitorear todas las áreas activas y necesarias de una mina, a lo largo de un horizonte de tiempo específico al menor costo posible, por lo tanto, este trabajo presenta una estrategia de optimización que busca el equilibrio entre el costo de instalación (es decir, sensores) y el funcionamiento (es decir, el consumo de energía). Si bien la mayoría de la literatura sobre despliegue de nodos para WSN en minas se centra en funciones objetivas únicas, proponemos un nuevo enfoque en dos etapas que permite a los usuarios abordar tanto el costo de instalación como el tiempo de la WSN: en la primera etapa, nuestro modelo ofrece una solución con el costo más bajo que satisface un tiempo de vida mínimo especificado por el usuario; en la segunda etapa, la configuración de la WSN se modifica para maximizar su tiempo de vida, sujeto a mantener el número de nodos (y, por lo tanto, los costos de instalación) obtenidos de la primera etapa. Ejemplos ilustrativos se presentan con respecto a dos minas de carbón reales en Boyacá (Colombia). Como evaluación, se diseñó e implementó un prototipo WSN para monitorear gases en una mina real. Se usó para verificar el funcionamiento de la solución obtenida por el algoritmo de optimización y para realizar varias pruebas y validar algunas de las restricciones del modelo.