基于無線網(wǎng)絡(luò)的礦井遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 *

夏瑞凱

(晉能控股煤業(yè)集團和創(chuàng)實業(yè)發(fā)展有限公司，山西 大同 037003)

0 引 言

煤炭作為重要能源資源，其安全生產(chǎn)極為重要，為降低生產(chǎn)作業(yè)風(fēng)險，需對生產(chǎn)流程精益控制，采用遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)是解決此問題的有效途徑[1]。煤炭井下環(huán)境復(fù)雜多變，加之空間狹小，傳統(tǒng)總線式電纜傳導(dǎo)信號的監(jiān)控方式靈活程度低、拓展性能差、且發(fā)生故障查找困難，并有較大安全風(fēng)險，極大的限制了其在煤礦井下等易燃易爆環(huán)境中的使用。筆者針對以上情況，通過對煤礦井下環(huán)境進行分析，得出線纜纏繞是當(dāng)前主要癥結(jié)，為達到煤礦設(shè)備安全穩(wěn)定運行[2-3]的目標(biāo)，因此需要設(shè)計一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的礦井遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)。

1 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)目標(biāo)和要求

為有效確保煤礦井下生產(chǎn)安全進行，監(jiān)控系統(tǒng)需要對生產(chǎn)中涉及到的各種開關(guān)量、模擬量進行實時采集處理，并完成聲光報警和緊急處置功能。同時為確保煤礦井下環(huán)境安全可控，還需要對井下甲烷氣體、風(fēng)速等重要參數(shù)進行監(jiān)測。各個信號匯聚節(jié)點將上傳數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一打包，并交由計算機處理。通過現(xiàn)場采集、無線傳輸和計算處理等三大技術(shù)結(jié)合，能有效掌握現(xiàn)場情況，做到實時監(jiān)控、快速反應(yīng)。相較于其他傳輸方式，ZigBee具有傳輸范圍遠、體積小、功耗小、易于組網(wǎng)等優(yōu)勢，便于實現(xiàn)井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲的快速調(diào)整，安全性和便捷性較好，因此使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計

如圖1所示，礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面和井下兩大部分組成，其中井下部分由安裝在各處的傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、CPU、視頻監(jiān)控裝置和礦用路由器組成，完成系統(tǒng)參數(shù)和實時影像的采集，此外礦用電源也是本系統(tǒng)不可或缺的一部分。傳感模塊則由電源、CPU及ZigBee發(fā)送裝置CC2530芯片、甲烷傳感器、煙霧傳感器、風(fēng)速傳感器等眾多傳感器組成。

甲烷傳感器采用GJC4型號，用于檢測煤礦井下瓦斯?jié)舛?，其具備自動報警功能，在采集其?shù)據(jù)的同時可以實現(xiàn)井下環(huán)境的快速判斷；煙霧傳感器采用GQQ5型號，用于檢測因設(shè)備摩擦、絕緣老化等導(dǎo)致的煙霧等；風(fēng)速傳感器采用GFY15型號，用于檢測回風(fēng)巷口、風(fēng)站、風(fēng)機等關(guān)鍵部位的風(fēng)速。除此之外，傳感模塊還可以鏈接溫度、水位等傳感器，支持0～5 V電平輸入、4～20 mA電流輸入、RS485等眾多制式信號輸入。

圖1 礦井遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計圖

如圖2所示，當(dāng)眾多傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，傳感模塊將相應(yīng)數(shù)據(jù)進行打包處理，并通過ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳輸給井下數(shù)據(jù)匯集節(jié)點CPU，聯(lián)合井下設(shè)備狀態(tài)傳感信號、井下視頻裝置等，通過以太網(wǎng)模塊W5500，經(jīng)過礦用路由器進入以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳到地面，由上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選分析和視頻解碼播放功能。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 CPU選擇及以太網(wǎng)傳輸模塊選擇

為便于煤礦井下數(shù)據(jù)匯集節(jié)點快速處理，使用基于Cortex-M4內(nèi)核的微控制器STM32F407，完成高速傳感數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)處理，其組成模塊如圖2所示。

圖2 CPU內(nèi)部組成及以太網(wǎng)傳輸模塊W5500

該處理器中，F(xiàn)SMC接口即靈活靜態(tài)存儲控制器，可以實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的靈活快速處理；USART通信端口在對應(yīng)外部接口電路的支持下，可以完成串口通信和RS485通信；GPIO數(shù)據(jù)輸入輸出接口，則可以完成數(shù)字信號采集和對應(yīng)繼電器輸出；SPI同步通信端口可以進行以太網(wǎng)芯片控制，通過連接RJ45以太網(wǎng)通信端口，可以實現(xiàn)全部控制信息的高速以太網(wǎng)傳輸。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采用W5500芯片進行傳輸。

為提高以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，采用內(nèi)部集成TCP/IP體系架構(gòu)的ICMP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的W5500芯片完成數(shù)據(jù)打包和硬件傳輸，其通過SPI接口與主控CPU完成控制信息和數(shù)據(jù)交互。需上傳數(shù)據(jù)時，主控CPU控制芯片完成IP配置和TCP協(xié)議初始化之后，建立TCP連接，并將待傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送給W5500，完成數(shù)據(jù)封裝置后，經(jīng)由主站設(shè)備傳遞給以太網(wǎng)。需要接收數(shù)據(jù)時，W5500在接收到地面?zhèn)鬏數(shù)目刂浦噶詈?，完成?shù)據(jù)的解包處理，并傳遞給主控CPU，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整或緊急狀態(tài)處置。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及ZigBee數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

目前常見的無線傳輸方式有WiFi、藍牙、ZigBee技術(shù)等，其中應(yīng)用到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)為ZigBee技術(shù)和超寬帶技術(shù)。超寬帶無線通信系統(tǒng)基本組成如圖3所示，主要由發(fā)射部分(調(diào)制器、脈沖發(fā)生器)、無線信道和接收部分(低噪放、RF濾波器、相關(guān)接收機)組成，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入后，經(jīng)由調(diào)制器聯(lián)合載波脈沖將有用信號發(fā)射，經(jīng)無線信道到達接收部分，實現(xiàn)解調(diào)、濾波和接收。

ZigBee技術(shù)協(xié)議由物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)/安全層、應(yīng)用連接層、應(yīng)用或組件層組成，其基礎(chǔ)為IEEE802.15.4，并由ZigBee聯(lián)盟開發(fā)安全層。眾多使用無線傳輸方式的傳感器構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，他們的基本功能是對其有效覆蓋范圍內(nèi)的信息進行采集、打包、傳輸、處理，并進行匯總上傳。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 傳感數(shù)據(jù)匯集節(jié)點工作流程

為實現(xiàn)煤礦井下數(shù)據(jù)快速傳輸、煤礦井下傳感數(shù)據(jù)匯集節(jié)點的數(shù)據(jù)處理流程至關(guān)重要，為便于進行數(shù)據(jù)處理，制定了如圖4所示的工作流程。系統(tǒng)開始后首先進行設(shè)備初始化，而后通過ZigBee端口獲取其協(xié)議器地址，進而獲取甲烷傳感器、風(fēng)速傳感器、煙霧傳感器等眾多傳感器數(shù)據(jù)和當(dāng)前設(shè)備啟停狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進行判斷，當(dāng)其超過報警閾值時，進行聲光報警和緊急處置。否則直接進行數(shù)據(jù)幀打包、獲取當(dāng)前視頻數(shù)據(jù)，并完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處置。

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及ZigBee技術(shù)協(xié)議組成

圖4 傳感數(shù)據(jù)匯集節(jié)點工作流程圖

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面設(shè)計

為實現(xiàn)對煤礦井下系統(tǒng)運行狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測和直觀顯示，并進行狀態(tài)預(yù)警等工作，利用上位機軟件，繪制實現(xiàn)如圖5所示的安全監(jiān)控系統(tǒng)界面。

圖5 安全監(jiān)控系統(tǒng)界面

全界面共分為功能菜單、監(jiān)控畫面、數(shù)據(jù)曲線和當(dāng)前狀態(tài)四大部分，其中功能菜單部分實現(xiàn)含有當(dāng)前支路、系統(tǒng)時間、監(jiān)控畫面等信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)保存功能、歷史數(shù)據(jù)查詢功能、采集周期及傳輸參數(shù)設(shè)置功能及后臺系統(tǒng)維護賬號登陸功能；數(shù)據(jù)曲線部分可以實現(xiàn)特定時間段、特定位置的風(fēng)速和負荷曲線，以便直觀觀察數(shù)據(jù)變化情況；當(dāng)前狀態(tài)部分可以實現(xiàn)井下環(huán)境、監(jiān)控設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、其他設(shè)備等的狀態(tài)判斷，共有正常狀態(tài)、告警狀態(tài)和報警狀態(tài)等3個狀態(tài)。通過功能菜單的設(shè)置按鈕可以在一定范圍內(nèi)對以上各個狀態(tài)的閾值和變動范圍進行設(shè)置，以適應(yīng)工作面推進情況，從而更直觀的掌握煤礦井下各個關(guān)鍵位置的狀態(tài)信息，做到全方位的監(jiān)測。

5 應(yīng)用效果

在完成系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上重點對其無線通信網(wǎng)絡(luò)性能和整體報警性能進行測試，在實驗室環(huán)境下完成藍牙數(shù)據(jù)發(fā)送裝置CC2530通信測試，采用點對點數(shù)據(jù)傳送，節(jié)點距離1 m，延時時間計算:確認幀傳輸方式、非標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CA 算法測得測試的數(shù)據(jù)分4 組。每組數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點定時發(fā)送數(shù)據(jù)幀，幀長從12 字節(jié)到127字節(jié)變化。從試驗數(shù)據(jù)來看，發(fā)送速度越快，幀越長，丟幀率也越高。無差錯的穩(wěn)定傳輸最大速度分別為149 kbps、190 kbps、202 kbps、207 kbps。在不同的發(fā)送速率下，能穩(wěn)定傳輸?shù)膸L分別為22 字節(jié)、52 字節(jié)、87 字節(jié)和117 字節(jié)。數(shù)據(jù)傳輸延時最長為11.6 μs符合數(shù)據(jù)傳輸要求。在完成藍牙部分數(shù)據(jù)傳輸試驗的基礎(chǔ)上，通過對傳輸數(shù)據(jù)進行解碼得到相關(guān)報警數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，報警功能正常，繼電器等輸出裝置和信號工作正常。

6 結(jié) 語

在分析傳統(tǒng)線纜式安全監(jiān)控系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，利用傳感器技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和計算機技術(shù)，完成無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)搭建。全系統(tǒng)以傳感數(shù)據(jù)匯集節(jié)點CPU STM32F407為核心，利用以太網(wǎng)將地面設(shè)備與井下設(shè)備聯(lián)合起來，在極大的提高了井下傳感器移動的靈活性的同時，增強了地面上位機的監(jiān)控能力，實現(xiàn)井下參數(shù)實時統(tǒng)計，畫面實時可見，當(dāng)井下出現(xiàn)異常狀態(tài)時，能實現(xiàn)自動報警和處置，極大的提高了異常時間處置速度，滿足了用戶對安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求。