煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張 晶

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦安監(jiān)站，山西大同 037000）

0 引言

煤礦瓦斯事故是影響煤炭生產(chǎn)安全的頭號敵人。隨著我國工業(yè)化生產(chǎn)不斷進(jìn)步，綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，對煤礦生產(chǎn)安全的要求也不斷提高[1-2]。煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，潮濕、多塵且干擾較大。煤礦瓦斯事故是煤礦生產(chǎn)安全事故中破壞性最大且發(fā)生率較高的災(zāi)難性事故。因此，針對煤礦作業(yè)面上的精準(zhǔn)瓦斯監(jiān)測報(bào)警技術(shù)就變得尤為重要。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采掘工作面及其他作業(yè)地點(diǎn)風(fēng)流中、電動(dòng)機(jī)或者其開關(guān)安設(shè)置地點(diǎn)附近20 m以內(nèi)風(fēng)流中的甲烷濃度達(dá)到1.5%時(shí)，必須停止工作，切斷電源，撤出人員，進(jìn)行處理。煤礦瓦斯監(jiān)測是煤炭安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)工作，目前，大多數(shù)煤礦配備瓦斯監(jiān)測儀以及專門檢測人員，防治瓦斯事故，但仍無法完成對煤礦全方位系統(tǒng)監(jiān)測，保障安全生產(chǎn)環(huán)境[3-4]。因此，本文針對這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)。對煤礦各位置的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并根據(jù)相關(guān)規(guī)定設(shè)定預(yù)警值，對危險(xiǎn)情況及時(shí)識別與報(bào)警，為煤礦生產(chǎn)安全提供可靠保障。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦采掘深度不斷加強(qiáng)，開采強(qiáng)度不斷擴(kuò)大。于此同時(shí)，開采區(qū)域瓦斯情況也越來越復(fù)雜。原有的一些技術(shù)手段利用單一傳感器人工測量方式以及有線監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測效果差、布線復(fù)雜、成本較高，靈活性差的缺陷已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求。而ZigBee技術(shù)作為一項(xiàng)新型的無線通信技術(shù)，適用于傳輸范圍短、數(shù)據(jù)傳輸速率低的一系列電子元器件設(shè)備之間。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，ZigBee無線通信技術(shù)表現(xiàn)出更為高效、便捷的特征，近距離、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效解決目前存在的不足[5-6]。因此，本文基于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計(jì)了煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)分為井下現(xiàn)場應(yīng)用層、遠(yuǎn)程監(jiān)測層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層，包括對瓦斯?jié)舛鹊牟杉?、傳輸與監(jiān)測報(bào)警三部分[7-8]。系統(tǒng)組成設(shè)備包括監(jiān)測主站、監(jiān)控分站即傳感器節(jié)點(diǎn)、本安電源、監(jiān)控主機(jī)等。礦用瓦斯傳感器分別感知設(shè)備測點(diǎn)位置的CH4氣體濃度信號經(jīng)過放大調(diào)理模塊處理，經(jīng)由A/D接口傳輸給傳感器節(jié)點(diǎn)單片機(jī)，分站單片機(jī)控制無線收發(fā)模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給無線傳輸基站（主站），由無線傳輸基站與監(jiān)測主機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信，系統(tǒng)根據(jù)測試值分別判斷環(huán)境狀況正常與否，決定是否發(fā)出警報(bào)，并將監(jiān)控結(jié)果直觀地顯示給工作人員。監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件選型

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件包括單片機(jī)、無線收發(fā)模塊、瓦斯傳感器、電源模塊、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等。單片機(jī)作為監(jiān)測層核心，根據(jù)系統(tǒng)需要選擇TI（德州儀器）公司生產(chǎn)的MSP430F149型超低功耗微處理器，它具有16位RISC CPU、16位寄存器、2個(gè)USART（通用同步/異步串行接收/發(fā)送器）、60 kB閃存、2 kB RAM、工作電壓范圍1.8～3.6 V、DCO（數(shù)控振蕩器）可在6 μs內(nèi)從待機(jī)模式喚醒，成本低，功耗小且功能強(qiáng)大；無線收發(fā)模塊同樣選擇TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片，它包含一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一個(gè)8位的MCU(8051)控制器，滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，以及系統(tǒng)開發(fā)低成本，低功耗的要求；瓦斯傳感器選擇山東中煤工礦集團(tuán)生產(chǎn)的KGJ16B型瓦斯傳感器檢測礦井下空氣中的瓦斯含量，該傳感器為礦用隔爆兼本質(zhì)安全型，具有多種標(biāo)準(zhǔn)信號制式輸出，工作電壓為DC 9～24 V，可滿足井下供電安全要求，測量范圍為0%～4%CH4、響應(yīng)時(shí)間小于20 s、報(bào)警點(diǎn)在0.3%～4.00%CH4可任意設(shè)置、傳感器聯(lián)檢后可與煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)配套使用。

1.2 監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測模塊包括監(jiān)測主站、監(jiān)測從站、監(jiān)控主機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)、軟件系統(tǒng)等。監(jiān)測從站即傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、微處理器、無線收發(fā)模塊以及電源模塊組成。傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測信息的接收與轉(zhuǎn)換，微處理器處理器作為核心控制節(jié)點(diǎn)正常工作運(yùn)行，無線收發(fā)模塊則負(fù)責(zé)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸，電源模塊用來提供工作動(dòng)力來源。傳感器節(jié)點(diǎn)主要通過在測點(diǎn)位置布置的傳感器感知工作面以及入回風(fēng)區(qū)域的瓦斯?jié)舛刃盘柦?jīng)信號調(diào)理轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號由A/D轉(zhuǎn)換口到傳感器節(jié)點(diǎn)微處理器，而后通過無線收發(fā)模塊傳輸給監(jiān)測主站。各監(jiān)測分站與監(jiān)控主站通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊。傳感器模塊根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，設(shè)置在便于人員觀察檢修支護(hù)良好的位置，垂直懸掛在不影響其他設(shè)備及人員正常工作的巷道回風(fēng)流中。將監(jiān)控主站ZigBee節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)控制其他子節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的CC2430無線收發(fā)模塊在接收模式時(shí)從天線接收RF信號，經(jīng)由低噪聲放大器并變頻為2 MHz中頻信號，再經(jīng)過濾波、放大與A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在發(fā)射模式時(shí)，被調(diào)制的基帶信息經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器再由單邊帶調(diào)制器進(jìn)行低通濾波變頻為射頻信號進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)瓦斯?jié)舛戎党鲈O(shè)定閾值1%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警告，執(zhí)行聲光報(bào)警；超過1.5%，發(fā)出自動(dòng)斷電指令。監(jiān)測模塊傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測模塊傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)絡(luò)通信

監(jiān)控系統(tǒng)由3個(gè)層面組成，分別是現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測層，網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及監(jiān)測主站層。現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測層傳感器與微處理器通過A/D接口連接。CC2430使用FIFO、FIFOP、CCA和SFD四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，而微處理器與無線收發(fā)模塊CC2430之間使用SPI（串行外設(shè)接口）連接交換數(shù)據(jù)。SPI是一種高速、全雙工、同步通信的4線總線，只需占用芯片4個(gè)引腳，采用主從方式工作，簡單易用。微處理器作為主設(shè)備通過SPI接口訪問CC2430模塊的寄存器以及存儲器，CC2430作為從設(shè)備接收微處理器SCLK(時(shí)鐘)與CS(片選)信號并接收控制。各現(xiàn)場應(yīng)用監(jiān)測分站之間、監(jiān)測分站與監(jiān)測主站基于IEC802.15.4協(xié)議通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊。監(jiān)控主站與上位機(jī)監(jiān)測層通過RS-485串行接口連接，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層的信息交互。MSP430F149與CC2430連接接口如圖3所示。

圖3 MSP430F149與CC2430連接接口

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)利用TinyOS微型操作系統(tǒng)，TinyOS是由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的一種源代碼開放的嵌入式操作系統(tǒng)，廣泛用于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)?；诮M件的模塊化系統(tǒng)，設(shè)置基于ZiGBee節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，選擇監(jiān)測主站作為基地控制臺聚集處理監(jiān)測信息，與之通信的其他節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳輸采集信息。利用具有C語言風(fēng)格的組件式結(jié)構(gòu)程序語言nesC進(jìn)行編程，TinyOS提供一系列的組件，應(yīng)用程序可以通過連接配置文件將各種組件連接起來，實(shí)現(xiàn)所需要的功能，最后應(yīng)用程序通過JTAG燒寫入節(jié)點(diǎn)的微處理器，通電即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件工作流程如圖4所示。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，對系統(tǒng)進(jìn)行工程測試。利用不同濃度標(biāo)準(zhǔn)CH4對傳感器模塊進(jìn)行仿真測試，驗(yàn)證傳感器模塊采集功能以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸效果以及系統(tǒng)監(jiān)測功能。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)可較好實(shí)現(xiàn)對瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的采集、無線傳輸以及監(jiān)測報(bào)警功能。

4 結(jié)束語

本文針對煤礦生產(chǎn)所需設(shè)計(jì)了一種基于無線通信網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際需要完成了對系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件的選型以及軟件流程設(shè)計(jì)工作。采用較為先進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸，避免了有線傳輸?shù)木€路復(fù)雜、成本高等問題，測試表明該系統(tǒng)具有靈活性高、可靠性好，自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對煤礦井下測點(diǎn)位置瓦斯?jié)舛鹊脑诰€實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警，保障煤礦生產(chǎn)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保護(hù)煤礦的財(cái)產(chǎn)安全與工人的生命健康。