基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

張雪平,楊興全

(1.宜賓學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)研究所,四川宜賓,644000; 2.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川瀘州,646000）

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

張雪平1,楊興全2

(1.宜賓學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)研究所,四川宜賓,644000; 2.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川瀘州,646000）

本文提出了一種新型的煤礦物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了煤礦物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)配置及其特點，闡述了物聯(lián)網(wǎng)下煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，完成了煤礦井下節(jié)點主要芯片的選型與外圍電路設(shè)計。

物聯(lián)網(wǎng)；煤礦；安全監(jiān)測

0 引言

傳統(tǒng)意義上的煤礦監(jiān)測控制系統(tǒng)主要是由井上控制中心與現(xiàn)場測控分站等兩個部分構(gòu)成，屬于集中控制模式。這一模式實時性差，兼容性也不好。鑒于以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，煤礦井下網(wǎng)絡(luò)開始應(yīng)用高速工業(yè)以太網(wǎng)，光纖通信網(wǎng)絡(luò)、電腦網(wǎng)絡(luò)以及嵌入式系統(tǒng)等一系列先進(jìn)技術(shù)被運用于其中。然而，這類有線系統(tǒng)尚存在著速率不高，覆蓋面較小、靈活性不夠等問題。為此，筆者將新型傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及射頻識別等技術(shù)于一體的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)之中，從而為現(xiàn)代煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)提出了新的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)作為物、物相連的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分之一，其本質(zhì)在于互聯(lián)網(wǎng)的特征，要確保互聯(lián)與互通，具有自動識別、無線通信、自我反饋和智能控制等多種功能。

1 煤礦物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦物聯(lián)網(wǎng)采取有線加無線的綜合性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，在現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上增加物聯(lián)網(wǎng)傳感器以及無線寬帶技術(shù)，從而構(gòu)建起無線傳感與光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)將礦井的網(wǎng)絡(luò)體系分成信息管理層、接入層和設(shè)備層。以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)構(gòu)建綜合數(shù)字化信息傳輸平臺，以組態(tài)軟件和實時數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)總線技術(shù)將礦井設(shè)備的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議傳到調(diào)度控制中心統(tǒng)一的軟件平臺，實現(xiàn)在調(diào)度控制中心對生產(chǎn)設(shè)備集中監(jiān)控，提高生產(chǎn)過程的管理能力和技術(shù)水平。地形較為開闊和便于布線的大巷區(qū)域運用光纖工業(yè)以太網(wǎng)加上現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為實施井下監(jiān)控的主要網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器主要架設(shè)于地形較為崎嶇、人員難以到達(dá)的地區(qū)，例如，老空堂、井筒和工作面上事故多發(fā)區(qū)等。如此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能覆蓋井下所有區(qū)域，從而現(xiàn)全面覆蓋。嵌入式綜合接入網(wǎng)關(guān)則能實現(xiàn)光纖骨干網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之聯(lián)結(jié)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠把搜集到的數(shù)據(jù)運用光纖骨干網(wǎng)傳輸至地面上的控制中心，中心視頻監(jiān)視設(shè)備與數(shù)據(jù)分析設(shè)備即可對生產(chǎn)的全過程實施全面、實時監(jiān)控。如果發(fā)生了事故，控制中心還可依據(jù)監(jiān)測到的實時畫面與數(shù)據(jù)，對相關(guān)人員實施指揮，并且發(fā)出必要的警報。同時，聚類分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則能更為有效地解決井下網(wǎng)絡(luò)具有的面積較大、覆蓋困難、移動節(jié)點多等諸多問題。信息管理層又可以分成兩大部分，安全保障和生產(chǎn)組織管理。相關(guān)管理人員可以利用計算機技術(shù)全面監(jiān)測礦井的生產(chǎn)狀況，一旦發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象就及時采取相應(yīng)的措施消除不良影響，保證礦井施工的安全。同時，還可以獲取大量的生產(chǎn)組織管理數(shù)據(jù)資料，并通過生產(chǎn)調(diào)度、機電管理、物流管理、工業(yè)自動化控制等方面協(xié)同工作，大大提高工作效率。接入層是網(wǎng)絡(luò)體系的核心層，采用礦用多路光纖多種業(yè)務(wù)接入平臺，獲取大量數(shù)據(jù)信息，并通過相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運行。設(shè)備層則主要是多種設(shè)備同時運行，這些設(shè)備工作質(zhì)量和運行的正常與否直接關(guān)系到信息管理層獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及礦井安全生產(chǎn)組織管理效果。設(shè)備層有通信設(shè)備、考勤定位設(shè)備、井下攝像儀、工業(yè)大屏、現(xiàn)場控制設(shè)備、應(yīng)急救援通信設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備等。

2 物聯(lián)網(wǎng)下煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)配置及其特點

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的主要宗旨是為客戶提供綜合性的全面解決方案，從而改造原有的煤礦井下生產(chǎn)體系，建立起融合工作監(jiān)控、設(shè)備控制以及系統(tǒng)檢測等多種功能于一體的監(jiān)控體系，從而構(gòu)建監(jiān)控平臺，在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控體系上對多種電器設(shè)備運行情況以及煤礦安全環(huán)境實施，更加有效的監(jiān)控，實現(xiàn)對煤礦整體自動化系統(tǒng)實施組態(tài)設(shè)計。具體來說，物聯(lián)網(wǎng)下煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)配置具有以下特點：其一是高速性。為確保煤礦井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理具備快速性、穩(wěn)定性以及可靠性，煤礦整體自動化系統(tǒng)通過兩臺以上的核心交換機以提供充分的保障。其二是存儲性。煤礦自動化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所具有的安全信息來自于各子系統(tǒng)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。以上安全數(shù)據(jù)信息運用光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行實時采集，并且能將以上信息進(jìn)行存儲，以備查閱與分析，還能實施災(zāi)難預(yù)警。其三是共享性。運用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能全面實現(xiàn)資源共享，企業(yè)客戶可運用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)瀏覽與管理有關(guān)的數(shù)據(jù)。同時，企業(yè)管理人員也可運用物聯(lián)網(wǎng)了解企業(yè)的實時生產(chǎn)信息，從而便于企業(yè)管理者及時做出相應(yīng)的決策。其四是安全性。煤礦自動化物聯(lián)網(wǎng)可應(yīng)用企業(yè)級殺毒軟件以及高端硬件防火墻，從而保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全。其五是穩(wěn)定性。煤礦自動化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用瀏覽器與客戶端結(jié)構(gòu)，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定、高速、流暢。

3 物聯(lián)網(wǎng)下煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)方式

3.1 安全監(jiān)測系統(tǒng)的接入方式

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)可運用以下接入方式加以保障：一是OPC方式，接入安置OPC服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的相互交換，運用控制工作面單元橋接與調(diào)節(jié)通訊應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)各類實時數(shù)據(jù)的存儲、提供以及使用。通過在管控網(wǎng)絡(luò)單元的服務(wù)器中設(shè)計有支持OPC協(xié)議的組態(tài)軟件，可直接與具有OPC服務(wù)器的現(xiàn)場單元系統(tǒng)存取數(shù)據(jù)，便可以與數(shù)據(jù)源進(jìn)行通訊程序和現(xiàn)場過程控制建立橋梁，相互之間進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換。二是數(shù)據(jù)庫接入方式。物聯(lián)網(wǎng)的其它數(shù)據(jù)庫以及地面控制中心的組態(tài)軟件原來就有連接的接口，只需開發(fā)相應(yīng)的組態(tài)軟件即可輕松實現(xiàn)連接。三是以太網(wǎng)接入方式。如今，煤礦井下主要運用的是RS485、422與CAN總線，這類設(shè)備的實時采集數(shù)據(jù)難以直接連接交換機，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能傳輸至安全信息服務(wù)器中，而應(yīng)用以太網(wǎng)就能彌補RS485、422以及CAN等不足，從而做到揚長避短，更好地發(fā)揮作用。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議將實時采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成支持工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的實時數(shù)據(jù)，并將其傳輸給交換機，然后再由采集服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，便可以實時獲取大量的數(shù)據(jù)信息，提高礦井安全性。四是QWT198接入方式。由于我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)了礦用隔爆交換機，具備了CAN以太網(wǎng)信號的轉(zhuǎn)換方式。

3.2 井下無線監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計

（1）井下基站

基站由無線收發(fā)模塊，16位超低功耗微處理器MSP430共同構(gòu)成?；臼钦麄€系統(tǒng)的樞紐環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)識別卡一基站一分站之間的順利通訊的保證。無線收發(fā)模塊不僅可以作為待定節(jié)點用于定位數(shù)據(jù)收發(fā)，還可以配置與基站用作調(diào)節(jié)器功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。多種工作模式使其尤為適應(yīng)要求功耗較低的系統(tǒng)，運行模式之間的快速轉(zhuǎn)換也進(jìn)一步確保芯片低能源消耗?；居布诵挠蒑SP430F449, CAN控制器MCP2515, CAN收發(fā)器TJA1050共同構(gòu)成，主要實現(xiàn)將無線通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)和基站編號，結(jié)合時間一起封裝成為符合CAN總線傳輸協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀等待查詢命令上傳到分站。MSP430系列單片機的CPU采用16位精簡指令系統(tǒng)，寄存器資源豐富，芯片處理控制能力強大和操作方式簡單靈活。各存儲器均采用同一結(jié)構(gòu)，就使得芯片外圍模塊寄存器的操作像普通RAM單元一樣方便、靈活。另外該芯片具有較強的外圍模塊擴展能力，完善的功耗管理部件，保證了軟件可以靈活地設(shè)置CPU的各種工作方式，在滿足性能的基礎(chǔ)上最大幅度降低功耗。

（2）井下分站

分站采用DSP微處理器及其擴展的串口、JTAG接口等組成。DSP微處理器選用C2000平臺上的定點32位DSP芯片TMS320F2812。該芯片適合用于工業(yè)控制，電機控制等，用途廣泛，相當(dāng)于單片機的升級版。分站主要完成的任務(wù)有：采用定時輪詢的方式將各個基站存儲的數(shù)據(jù)通過CAN總線匯總，將信息分解提取有用信息，進(jìn)行定位計算，得到無線識別卡的精確位置并將其與解譯出的時間信息存儲，等待井上監(jiān)控機的調(diào)度顯示。TOP2812可實現(xiàn)快速的大量數(shù)據(jù)運算和算法要求，擁有大量的外設(shè)資源，高達(dá)128字節(jié)的程序存儲閃存，128字節(jié)的只讀存儲器，具有8位WDT模塊，高速SPI接口，最多可實現(xiàn)45個外設(shè)中斷。

（3）主芯片選型

基站主芯片采用CC2430芯片,硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。CC2430整合了ZigBee射頻（RF），符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的無線電收發(fā)，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能。射頻輸入輸出端口獨立，不需要外部TX/RX開關(guān)，芯片自天線之間的電路架構(gòu)由平衡/非平衡器與少量低價電容與電感組成，可替代平衡式天線，無線節(jié)點電路如圖3所示。

圖2 無線節(jié)點硬件

圖3 無線節(jié)點電路

3.3 外圍電路設(shè)計

（1）電源模塊

供電系統(tǒng)模塊為其他模塊提供工作所需的電能，保證節(jié)點的正常工作。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可移動性，電源采用干電池供電的方式。整個系統(tǒng)輸入為2A的開關(guān)電源，為保持統(tǒng)一，ZigBee模塊同樣采用SV供電，采用LM1117作為穩(wěn)壓器將不夠穩(wěn)定的SV電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3.3V電壓，C16，L4和C17組成I-I型濾波電路，D1發(fā)光二極管為電源指示燈。

（2）JTAG調(diào)試模塊

通過20針標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試口插座與CC2530連接，CC2530支持SWD調(diào)試，標(biāo)準(zhǔn)的JTAG調(diào)試需要占用5個I/O口，而用SWD則只需要2個I/O口，大大節(jié)約了I/O數(shù)量，調(diào)試主要用到SWDIO 、SWCLK和復(fù)位引腳，SWCLk為調(diào)試時鐘，SWDIO為調(diào)試數(shù)據(jù)，JTAG nRST為低電平有效的復(fù)位信號，此接口連接仿真器Jlink即可對ZigBee模塊進(jìn)行下載或仿真。

（3）串口模塊

串口是傳統(tǒng)的PC接口，本系統(tǒng)采用串口連接協(xié)調(diào)器和PC機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。但CC2430串口輸出電平為CMOS電平，與PC機串口電平不匹配，需要一個電平轉(zhuǎn)換電路將兩種電平進(jìn)行匹配，這里采用9芯的MAX202作為RS232標(biāo)準(zhǔn)接口。

（4）復(fù)位電路

VCC上電時，當(dāng)S1松開，電容充電，在R15上出現(xiàn)電壓，使得系統(tǒng)復(fù)位；幾毫秒后，電容充滿電，R15上的電流、電壓均為0，JTAG nRST降為低電平，使系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)；當(dāng)按下復(fù)位鍵S1時，電容放電，JTAG nRST直接與VCC連接，即為高電平，此時進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

4 結(jié)束語

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)十分復(fù)雜，工作環(huán)境極為惡劣，人員相對集中，而且地質(zhì)條件變化多端，在井下工作往往會出現(xiàn)新情況，一旦無法及時采取合理措施，就可能會造成災(zāi)難。煤礦物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合了煤礦原有的工業(yè)以太網(wǎng)，應(yīng)用了傳感器技術(shù)以及無線寬帶技術(shù)，以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)建。這一網(wǎng)絡(luò)能夠較好地滿足煤礦井下安全監(jiān)管、報警以及應(yīng)急事件處理等各項需求，從而真正實現(xiàn)了煤礦安全生產(chǎn)控制、實時監(jiān)測、人員跟蹤、災(zāi)害預(yù)警以及搶險救災(zāi)等諸多功能，從而為煤礦安全生產(chǎn)提供良好的保障。

[1]孫繼平.煤礦物聯(lián)網(wǎng)特點與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報,2011.36(1):167-171.

[2] 李崢,苗曙光. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井巷道監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010.8:57-59.

[3] 蔣恒深,張曉光，李輝，仝維仁.基于Zigbee的綜采工作面設(shè)備及環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010.9:36-39.

Research of Coal Mine Safety Monitoring System Based on Internet of Things

Zhang Xueping1,Yang Xingquan2
(1.Yibin University Electronic Science and TechnologyInstitute,Yibin,644000,Sichuan China; 2.Sichuan Vocational College of Chemical Technology,Lu Zhou,646000,Sichuan,China)

This paper presents a new type of coal mine production safety monitoring system network structure,analysis of the system configuration and the characteristics of coal mine Internet of things, the implementation of coal mine production safety monitoring system of Internet of things, completed the selection and coal mine main chip nodes around circuit design.

internet of things；coal mine；Safety monitoring

四川省宜賓市重點科技項目（編號：2011GY028）