基于信息融合與ZigBee技術(shù)的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊 軻

（中煤集團(tuán)安全監(jiān)察管理部， 北京 100120）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對煤炭的需求日益增長，促使煤礦生產(chǎn)對供電系統(tǒng)、用電設(shè)備井下危險環(huán)境監(jiān)測提出了更高的要求。礦區(qū)現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)要達(dá)到安全可靠的平穩(wěn)實時監(jiān)控，就要實時采集井下環(huán)境的氣體成分含量信息、問題信息、濕度信息、氣壓等關(guān)鍵信息，將這些信息進(jìn)行處理匯總?cè)诤?，然后發(fā)送給中央處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，給出決策。同時，井下安全監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵是井下標(biāo)志信息的采集，目前，大多數(shù)井下安全監(jiān)測系統(tǒng)還是采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸線的方式，采集傳感器與傳輸系統(tǒng)需要進(jìn)行物理連接，很不便捷，對于移動物體基本無法實現(xiàn)監(jiān)控。ZigBee技術(shù)是一種無線電子標(biāo)簽的技術(shù)，他能夠通過無線通信的方式，將傳感器的采集值傳給處理單元，通過軟硬件電路進(jìn)行解碼處理，監(jiān)控井下環(huán)境安全。并在發(fā)生故障時及時報警，迅速、準(zhǔn)確地切除故障設(shè)備，避免事故擴(kuò)大和引發(fā)其他事故。

1 系統(tǒng)總體方案

礦井下安全監(jiān)測系統(tǒng)（見圖1）主要由井下網(wǎng)絡(luò)中繼部分、ZigBee電子標(biāo)簽、傳感器路由節(jié)點(diǎn)組成。所有位于傳感器節(jié)點(diǎn)的電子標(biāo)簽通過路由器聯(lián)網(wǎng)后，再通過智能數(shù)字通信接口PCI接口卡、CAN-USB接口卡、或者CAN Ethernet接口卡完成采集結(jié)果傳輸[1-3]。

環(huán)境監(jiān)測無線傳感器與ZigBee電子標(biāo)簽共同作為ZigBee終端采集設(shè)備。一般井下需要采集的信息有瓦斯（甲烷）體積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)、溫度、濕度、粉塵質(zhì)量濃度、風(fēng)速、水位、滲水水壓、位移、應(yīng)力和負(fù)壓等,通過監(jiān)測這些井下的物理環(huán)境參數(shù)是否在合理的范圍之內(nèi)來判斷井下的環(huán)境是否符合安全生產(chǎn)的基本要求，將上述信息進(jìn)行融合分析的過程可以采用信息融合的方法進(jìn)行。

井下的各個區(qū)域布置的路由器作為整個井下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的參考點(diǎn)，有這些路由器節(jié)點(diǎn)就可以建立整個井下監(jiān)控系統(tǒng)的坐標(biāo)系,這樣就可以實現(xiàn)具體位置的信息標(biāo)定與定位。同時，這些路由節(jié)點(diǎn)的位置可以通過上位機(jī)進(jìn)行初始化。這些移動ZigBee電子標(biāo)簽的位置信息通過路由器節(jié)點(diǎn)傳至ZigBee協(xié)調(diào)器，以實現(xiàn)對井下機(jī)電設(shè)備和環(huán)境參數(shù)的實時具體監(jiān)控。

圖1 井下安全監(jiān)測系統(tǒng)總體示意圖

2 井下安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

如下頁圖2所示，根據(jù)井下安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案和不同的監(jiān)控區(qū)域及功能模塊，井下安全監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要由微處理器、無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊、井下繼電器驅(qū)動控制電路、對講功能電路、電源模塊電路等組成。

硬件電路的處理器部分采用嵌入式微處理器。包括RAM，EPROM運(yùn)行存儲模塊，無線通信接口與有線通信總線網(wǎng)絡(luò)CAN總線接口部分。通過井下所有ZigBee電子標(biāo)簽與參考路由節(jié)點(diǎn)的協(xié)同作用，實現(xiàn)井下復(fù)雜環(huán)境參數(shù)的采集處理與傳輸，實現(xiàn)這些功能的前提是需要穩(wěn)定可靠的監(jiān)控檢測電路和、人機(jī)對話功能，包括按鍵和液晶顯示器。

圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

井下的環(huán)境參量通過CAN總線傳出，井上監(jiān)控中心通過上位機(jī)可以清楚地監(jiān)控井下每臺設(shè)備狀態(tài)信息,及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)與設(shè)備，做到提前預(yù)警，避免井下重大危險事故的發(fā)生。

3 井下安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件檢測流程如圖3所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)上電，對通信端口進(jìn)行初始化，然后檢測有無事件發(fā)生，再通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口事件處理，與人機(jī)交互通信后作出循環(huán)判斷，實時監(jiān)控整個安全系統(tǒng)[4-5]。

圖3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4 功能測試與驗證

完成整個總體方案的搭建、硬件電路設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計后需要對整個系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試，為了驗證和ZigBee無線傳感器組成的井下安全監(jiān)測系統(tǒng)的功能滿足預(yù)設(shè)的要求，需要將系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行聯(lián)調(diào)，如USB通信硬件軟硬件，智能氣體傳感器設(shè)備和整個安全監(jiān)控的測試環(huán)境兼容性。

將USB連接計算機(jī)，并通過USB通過上位機(jī)進(jìn)行CAN總線信號連接與傳輸，隨后井下安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)建立通信。

當(dāng)井下環(huán)境的某一參數(shù)發(fā)生變化時，通過傳感器向附近的路由器發(fā)送參數(shù)變化信息，路由器通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給微處理器，微處理器通過比對分析給出結(jié)果，顯示在控制面板上以供用戶使用。通過仿真測試環(huán)境參數(shù)設(shè)置初始化，井下安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通過CAN總線與上位機(jī)通信,井下氣體傳感器數(shù)據(jù)通過分布在不同位置ZigBee電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

智能氣體傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是測量驗證井下指定位置的氣體濃度值。發(fā)給微處理器并且判斷是否超出標(biāo)準(zhǔn)，如果超出標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)發(fā)出報警信息，并且予以顯示。經(jīng)測試，井下安全監(jiān)測系統(tǒng)可以平穩(wěn)安全運(yùn)行，系統(tǒng)的基本功能能夠?qū)崿F(xiàn)，繼電器等設(shè)備和傳感器節(jié)點(diǎn)采集功能正常實現(xiàn)，能夠達(dá)到設(shè)計要求。如圖4為上位機(jī)端實時監(jiān)測井下環(huán)境參數(shù)的顯示畫面，功能采集正常[6-8]。

圖4 井下安全監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

5 結(jié)語

復(fù)雜環(huán)境是煤炭井下工作環(huán)境的顯著特征之一，這就使得井下的各種機(jī)電設(shè)備和傳輸電纜的布置與后期的檢修非常麻煩，采用ZigBee技術(shù)的井下安全監(jiān)測系統(tǒng)可以不受制于線纜和設(shè)備的位置，為監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計帶來便捷性。同時，隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，對井下各種環(huán)境參數(shù)檢測應(yīng)用無線傳輸?shù)姆绞揭彩俏磥淼内厔荨?/p>

煤炭井下空間比較有限，這種特點(diǎn)恰好符合ZigBee通信距離短的特點(diǎn)。因此井下環(huán)境監(jiān)測組網(wǎng)，可以使用基于ZigBee的無線線通信方式，如果配合多個中繼單元同步使用，完全可以覆蓋整個礦井井下環(huán)境監(jiān)控區(qū)域。