基于以太網(wǎng)的礦井監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究

鐘錫珍

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

受地理環(huán)境的限制，很多的礦井生產(chǎn)的成熟技術(shù)無法在地下展開應(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國(guó)的煤礦監(jiān)測(cè)和預(yù)警主要是通過有線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行的。有線傳輸存在著很大的問題，例如布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差等等。而且，一旦線路出現(xiàn)問題，監(jiān)測(cè)和預(yù)警的整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)受到影響，造成嚴(yán)重的后果。為此提出在基于以太網(wǎng)體系的前提下，建立智能、全面、多層次的礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，有利于提高礦井開采的安全管理，減少礦井生產(chǎn)事件的發(fā)生。

1 礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我國(guó)的安全法有明確規(guī)定：礦需要設(shè)立“六大系統(tǒng)”，分別是監(jiān)測(cè)監(jiān)控、井下人員定位、緊急避險(xiǎn)、壓風(fēng)自救、供水施救和通信聯(lián)絡(luò)方面的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)分別應(yīng)對(duì)礦井生產(chǎn)過程中的具體環(huán)節(jié)。為確保這些系統(tǒng)的正常運(yùn)行，就需要相應(yīng)的配套設(shè)施。必要的設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備以下的幾種：

1.1 監(jiān)控主機(jī)與監(jiān)控備機(jī)

礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的一個(gè)龐大系統(tǒng)。一個(gè)過硬的處理器一定是必需的。隨著智能電子技術(shù)的不斷改進(jìn)與發(fā)展，微處理器的芯片集中度也越來越高。核心CPU、存儲(chǔ)器、計(jì)時(shí)器等等模塊可以集中到一個(gè)芯片上[1]。本礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的主機(jī)和備機(jī)的處理器采用這種超大規(guī)模的集成電路STM32。 STM32在傳統(tǒng)處理器的基礎(chǔ)上添加了極其豐富的外設(shè)資源[1]。改進(jìn)后的處理器彌補(bǔ)了之前處理器的不足，具有性能高、成本低、耗時(shí)短、耐用性強(qiáng)、容易開發(fā)、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。并且，這種改進(jìn)后的處理器實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，可以將即時(shí)收集到的信息傳輸?shù)斤@示器上，進(jìn)而爭(zhēng)取時(shí)間采取一定的應(yīng)對(duì)措施。

1.2 傳感器設(shè)備

礦井生產(chǎn)的環(huán)境是很復(fù)雜的，尤其是井下部分。所以本系統(tǒng)的傳感器是十分必要的。主要包括溫濕度傳感器、氣體傳感器、風(fēng)速傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。本系統(tǒng)選擇的溫濕度傳感器是SHT10溫濕度傳感器。該產(chǎn)品占地面積小、性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)。并且價(jià)格便宜，相比其他同類型的產(chǎn)品性價(jià)比更高。氣體傳感器主要是通過把空氣中的待測(cè)氣體的濃度轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)字信號(hào)。本監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)采用的是MQ-2型氣體傳感器。這種氣體傳感器的靈敏度更高，能夠最大程度地排除其他環(huán)境因素對(duì)待測(cè)氣體的影響。并且它的電壓率低、使用年限久的特點(diǎn)。風(fēng)速傳感器最常用的是螺旋型風(fēng)速傳感器。這種儀表的轉(zhuǎn)速能和風(fēng)速保持較好的一致性，同時(shí)還能與檢測(cè)風(fēng)向相結(jié)合。風(fēng)速傳感器穩(wěn)定參數(shù)如以下表1所示。它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在成本低、使用方便靈活，而且對(duì)維修的要求不高。此外，本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鞑捎玫氖荈lame-M型火焰?zhèn)鞲衅?。利用火焰?zhèn)鞲衅骺梢詼y(cè)量礦井里的火焰情況，以便于檢測(cè)發(fā)現(xiàn)礦井是否有發(fā)生礦難的危險(xiǎn)因素等。

表1 風(fēng)速傳感器參數(shù)

2 實(shí)現(xiàn)礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警

在具備了一定的硬件設(shè)備后，本監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的生成也需要知識(shí)的生成。傳統(tǒng)的檢測(cè)預(yù)警知識(shí)系統(tǒng)的生成是基于一定的理論知識(shí)，以一定的文字規(guī)則為表現(xiàn)形式抽取成符號(hào)化的推理規(guī)則。

而本文的礦井檢測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的知識(shí)形成是在檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息的整體融合，以數(shù)據(jù)集的空間映射作為對(duì)礦區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域的擬合數(shù)據(jù)集進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)知識(shí)生成的方式。主要的數(shù)據(jù)分析技術(shù)有：

2.1 傳感器數(shù)據(jù)融合

礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)中的多個(gè)傳感器運(yùn)行過程中，反饋來的信息是復(fù)雜的，所以要處理的數(shù)據(jù)是非常龐大的，而且還要受能量的限制。這些都要通過數(shù)據(jù)融合的技術(shù)進(jìn)行處理。融合技術(shù)可以將采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選，之后實(shí)際處理起來的數(shù)據(jù)量就會(huì)大大減少。將有用的保存，無用的剔除。這樣也能節(jié)省能量了。數(shù)據(jù)融合算法的應(yīng)用非常廣泛，例如芬琳檢測(cè)、人員定位等等。它的優(yōu)勢(shì)在于能根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求選擇采取何種數(shù)據(jù)融合，把整個(gè)系統(tǒng)的性能發(fā)揮到最大。

2.2 信息傳輸技術(shù)

無線通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，信息傳輸水平也越來越高。在傳感器傳輸信息的過程中，藍(lán)牙技術(shù)、WIFI技術(shù)、Zig Bee技術(shù)都是很好的選擇。短距離的信息傳輸可以選擇前兩者，在考慮距離和穩(wěn)定性的前提下，可以選擇最后一種信息傳輸技術(shù)。Zig Bee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是耗時(shí)短、功率消耗少、信息傳輸安全性能高。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

為保證本文提出的礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)方法的有效性和可實(shí)施性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)這一原理進(jìn)行論證。利用本文提出的系統(tǒng)原理進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。那么整個(gè)礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的流程就是從初始化開始，接下來是建立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過無線監(jiān)控監(jiān)測(cè)井下信號(hào)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器信息通過無線路由器的接收和傳輸至PC監(jiān)控主機(jī)。

4 結(jié)語

本文基于以太網(wǎng)技術(shù)，對(duì)礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了整體方案設(shè)計(jì)，通過對(duì)礦井生產(chǎn)的需求進(jìn)行分析，對(duì)構(gòu)建更加完善的礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的操作性，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。礦井監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)研究是一項(xiàng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)工程。本文針對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究進(jìn)行了討論。但仍然有很多問題需要進(jìn)一步完善和研究，例如礦井專家知識(shí)庫的建立等等。