高可靠性煤礦井下火源無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鄧慧芳， 謝 銳， 孫傳猛， 趙 庚， 王海霞

(1. 中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051; 2. 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051; 3. 中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引 言

井下火情監(jiān)測(cè)是井下安全作業(yè)不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，隨著開(kāi)采深度、強(qiáng)度的加大，煤自燃隱蔽區(qū)域范圍不斷擴(kuò)大，給井下作業(yè)帶來(lái)極大的安全隱患。目前國(guó)內(nèi)外煤自燃發(fā)火普遍應(yīng)用的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法有自燃傾向性測(cè)試法、實(shí)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)類(lèi)比法、氣體分析法和測(cè)溫法等。近幾年來(lái)，我國(guó)在煤自燃機(jī)理和監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方面取得了大批的技術(shù)突破，表現(xiàn)為更先進(jìn)的自燃特性試驗(yàn)分析手段；多源信息融合模型應(yīng)用于預(yù)警系統(tǒng)；光纖檢測(cè)、光纖通信、無(wú)線通信等成為優(yōu)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)性能的發(fā)展方向[1-3]。由于不同煤礦存在媒質(zhì)差異，加上煤炭自燃隱蔽區(qū)域范圍大、距離遠(yuǎn)，隱蔽性高、著火點(diǎn)分散，使得利用自燃傾向性測(cè)試法、實(shí)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)類(lèi)比法、氣體分析法不能準(zhǔn)確地鎖定煤自燃隱蔽區(qū)待著火點(diǎn)的位置，只能夠作為鎖定火源的一種輔助手段[4-8]。測(cè)溫法是最直觀和有效的煤自燃發(fā)火預(yù)報(bào)方法，理論上可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)火源預(yù)警監(jiān)控，但它對(duì)傳感器以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性要求非常高，而且必須能夠保證進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè)覆蓋。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對(duì)煤礦井下火情監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。無(wú)線自組網(wǎng)測(cè)溫技術(shù)是一種大規(guī)模組網(wǎng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)，可以方便地在煤發(fā)火之前準(zhǔn)確鎖定火源，對(duì)減小礦井事故與提高井下作業(yè)安全均有重要作用。現(xiàn)有的無(wú)線自組網(wǎng)測(cè)溫一般采用ZigBee傳輸協(xié)議，但這種協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)率低、距離短，不能實(shí)現(xiàn)大范圍、高密度的覆蓋。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本系統(tǒng)采用基于WaveMesh的移動(dòng)自組網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多徑路由無(wú)線自組網(wǎng)測(cè)溫，采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信，對(duì)煤自燃隱蔽區(qū)域的溫度場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)無(wú)間斷的預(yù)警監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，能夠變換測(cè)溫單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高密度、大范圍的火源監(jiān)測(cè)任務(wù)。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)功能

高可靠性煤礦井下火源無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在井下煤自燃隱蔽區(qū)域布置測(cè)溫電纜，以STM32單片機(jī)為其控制核心，將數(shù)據(jù)傳送至無(wú)線通信模塊，上位機(jī)軟件動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行溫度超限報(bào)警，主要實(shí)現(xiàn)以下3方面功能：

1）預(yù)警監(jiān)測(cè)功能。根據(jù)測(cè)溫單元的傳送數(shù)據(jù)，做閾值比對(duì)；在煤炭發(fā)火之前鎖定待著火點(diǎn)、火源，對(duì)煤自燃隱蔽區(qū)域進(jìn)行連續(xù)無(wú)間斷的預(yù)警監(jiān)控。

2）存儲(chǔ)及顯示功能。能夠存儲(chǔ)測(cè)溫單元溫度、位置、覆蓋范圍等狀態(tài)信息并通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

3）高密度、大范圍組網(wǎng)。能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)煤自燃隱蔽區(qū)域大面積的自動(dòng)化實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，通過(guò)WaveMesh無(wú)線傳輸提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和效率，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

高可靠性煤礦井下火源無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括測(cè)溫單元、傳輸模塊、控制器模塊、通信模塊和監(jiān)測(cè)終端等，如圖1所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層通過(guò)測(cè)溫單元覆蓋監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)獲取環(huán)境中的溫度信息，并經(jīng)控制器傳送至通信模塊；網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)RS485總線與網(wǎng)線，兼或由WIFI模塊，接收通信模塊信號(hào)，與環(huán)網(wǎng)交換機(jī)相連，并將信號(hào)上傳至地面的監(jiān)測(cè)終端；應(yīng)用層通過(guò)接收底層傳來(lái)的溫度信息對(duì)煤自燃隱蔽區(qū)域火源狀態(tài)進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)控，對(duì)溫度拓?fù)洚惓^(qū)域進(jìn)行定位和預(yù)警。系統(tǒng)在井下煤自燃隱蔽區(qū)域布置感溫電纜，通過(guò)射頻模塊對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度信息進(jìn)行同步采集，以STM32單片機(jī)為其控制核心，將數(shù)據(jù)傳送至無(wú)線通信模塊，上位機(jī)軟件動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行火源溫度超限報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)應(yīng)模塊的硬件實(shí)現(xiàn)如下：由DS18B20溫度傳感器置于SCA1000型電纜上，進(jìn)行雙層環(huán)氧密封和多層防護(hù)封裝，外層用不銹鋼保護(hù)密封的感溫電纜作為測(cè)溫單元；由SX1276射頻模塊組成的傳輸模塊一端與測(cè)溫單元相連，一端與控制器相連；由STM32單片機(jī)作為控制器的主控芯片一端連接射頻模塊，一端連接WIFI模塊，一端連接RS485模塊及接口模塊；由WIFI模塊、RS485模塊及接口模塊組成的通信模塊向外與環(huán)網(wǎng)交換機(jī)相連；其中，接口模塊選擇W1500以太網(wǎng)接口芯片，配備網(wǎng)線接口，經(jīng)RS485總線連接至STM32單片機(jī)。

系統(tǒng)以可靠性、健壯性和易移植性為設(shè)計(jì)原則，工作時(shí)測(cè)溫單元的感溫電纜通過(guò)無(wú)線自組多跳網(wǎng)絡(luò)，將布置在其上多個(gè)不同節(jié)點(diǎn)的DS18B20溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)由天線發(fā)送給SX1276射頻模塊。無(wú)線自組多跳網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)路徑選擇算法選擇傳輸?shù)淖罴崖窂?，并由SX1276射頻模塊和天線組成的傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī)控制器。STM32單片機(jī)將測(cè)點(diǎn)編號(hào)及對(duì)應(yīng)的SX1276射頻模塊傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至上層通信模塊，再經(jīng)由礦用光纖交換機(jī)組成的光纖冗余環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端。

2 可靠性處理

高可靠性煤礦井下火源無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為煤礦井下火情監(jiān)測(cè)防預(yù)的重要組成部分，承擔(dān)著對(duì)井下煤自燃隱蔽區(qū)域火源監(jiān)測(cè)的重要任務(wù)，密切關(guān)系著井下作業(yè)人員的人生安危，其可靠性成為首要考慮因素。針對(duì)煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，硬件進(jìn)行抗干擾和防爆處理，并采用硬軟件冗余的設(shè)計(jì)方式，以保證系統(tǒng)能夠高可靠、持續(xù)地工作。

2.1 硬件抗干擾和防爆

針對(duì)硬件抗干擾和防爆進(jìn)行的舉措有：在盡量縮短元器件間距的基礎(chǔ)上，大幅度引入故障保護(hù)電路；模塊化設(shè)計(jì)，多電源用光耦隔離去除共模電壓，并接入去耦電容抑制電源干擾；測(cè)溫電纜三芯屏蔽，接口芯片選用抗靜電型，模塊外部罩有不銹鋼外殼和塑料蓋板，系統(tǒng)各模塊不銹鋼外殼板均按國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒛K內(nèi)電子器件電信號(hào)與外界氣液體隔離開(kāi)來(lái)。隔爆外殼具有高強(qiáng)度特點(diǎn)，既能抵抗外殼內(nèi)部爆炸的沖擊壓力，也能隔離外部爆炸沖擊。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有防塵防腐蝕、抗壓耐溫、防電磁干擾和防爆性能。

2.2 冗余結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)傳輸上，采用無(wú)線自組多跳網(wǎng)絡(luò)及WaveMesh移動(dòng)自組網(wǎng)協(xié)議，結(jié)構(gòu)如圖2所示。測(cè)溫單元通過(guò)射頻模塊相互通信，可以相互進(jìn)行相鄰測(cè)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的收發(fā)，每個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)通過(guò)射頻模塊可以轉(zhuǎn)發(fā)相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這種機(jī)制大大減小了漏測(cè)、失測(cè)概率。根據(jù)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇最佳路徑進(jìn)行傳輸，射頻模塊發(fā)出載波信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)延時(shí)，并在程序上設(shè)置避讓機(jī)制，防止通信時(shí)因節(jié)點(diǎn)間爭(zhēng)搶信道產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟包。利用光纖冗余環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)冗余環(huán)網(wǎng)中某一點(diǎn)的光纜因不可預(yù)測(cè)因素?cái)嚅_(kāi)時(shí)，通信立即自動(dòng)轉(zhuǎn)為總線方式通信，保證系統(tǒng)正常運(yùn)作。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 傳輸算法

3.1 節(jié)點(diǎn)路徑選擇算法

WaveMesh是一種多徑路由協(xié)議，允許多路徑并行傳遞數(shù)據(jù)流，支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用基于WaveMesh的移動(dòng)自組網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多徑路由無(wú)線自組網(wǎng)測(cè)溫，依據(jù)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)路徑選擇算法，自組選擇最佳傳輸路徑。對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)路徑選擇算法依據(jù)盡可能減小參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)：

1）根據(jù)節(jié)點(diǎn)的地理信息和通信半徑進(jìn)行分簇，每個(gè)簇任一節(jié)點(diǎn)可以代替其他節(jié)點(diǎn)成為簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，相鄰兩個(gè)簇間節(jié)點(diǎn)間可以直接通信。每個(gè)簇選出一個(gè)代表完成整個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送。

2）網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)處于準(zhǔn)備狀態(tài)，并啟動(dòng)定時(shí)器將競(jìng)爭(zhēng)簇頭時(shí)間T1設(shè)置為隨機(jī)值。當(dāng)定時(shí)器超時(shí)，該節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播聲明進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)在定時(shí)器計(jì)數(shù)未滿(mǎn)時(shí)，收到來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)狀態(tài)信息則自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。處于活動(dòng)狀態(tài)的簇頭設(shè)置自己的活動(dòng)時(shí)間T2，直至超時(shí)，之后重復(fù)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)簇頭操作，做周期性的活動(dòng)。

3.2 簇的劃分

測(cè)溫單元通過(guò)射頻模塊相互通信，可相互進(jìn)行相鄰測(cè)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的收發(fā)，記d(u,v)為節(jié)點(diǎn)u到 節(jié)點(diǎn)v的距離，id(u)為節(jié)點(diǎn)u的 ID位置，ω(u,v)為節(jié)點(diǎn)u和節(jié)點(diǎn)v構(gòu)成邊的權(quán)重函數(shù)，ru表示節(jié)點(diǎn)u的通信半徑。根據(jù)鄰近圖理論[9-11]：

任選節(jié)點(diǎn)u和 節(jié)點(diǎn)v滿(mǎn)足在ru范圍內(nèi)成一個(gè)簇，節(jié)點(diǎn)a是 除節(jié)點(diǎn)u和 節(jié)點(diǎn)v外滿(mǎn)足ru條件的其他節(jié)點(diǎn)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)a是 否滿(mǎn)足ω(u,a)<ω(u,v)和ω(a,v)<ω(u,v)，如果條件滿(mǎn)足，則將節(jié)點(diǎn)a加 入節(jié)點(diǎn)u和節(jié)點(diǎn)v所在的簇中。

4 測(cè)試及試驗(yàn)結(jié)果

4.1 最大通信距離測(cè)試

將無(wú)線網(wǎng)關(guān)固定，選取井下工作面一觀察節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)觀察節(jié)點(diǎn)的位置，改變節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間距離，測(cè)得其實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1（每個(gè)觀察節(jié)點(diǎn)位置實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)4組溫度數(shù)據(jù)）。從表中數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)最大通信距離為37 m。

表1 工作面不同距離下的溫度監(jiān)測(cè)信息對(duì)比

4.2 火源監(jiān)測(cè)功能測(cè)試

采用溫度閾值比對(duì)方式監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)異常狀態(tài)，將測(cè)溫電纜埋入井下采空區(qū)，緊靠巷道底板和外煤壁。選取一觀察節(jié)點(diǎn)，設(shè)置不同的溫度閾值（預(yù)警值），如表2所示。測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，一旦節(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)設(shè)定的溫度閾值，上位機(jī)發(fā)出警示并發(fā)出警報(bào)聲。更換觀察節(jié)點(diǎn)，多次設(shè)置不同預(yù)警值，進(jìn)行系統(tǒng)火源異常報(bào)警測(cè)試。多次測(cè)試表明，本系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定閾值做出精確預(yù)警，并給出超出閾值節(jié)點(diǎn)（異常節(jié)點(diǎn)）的溫度和位置信息。

表2 觀察節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同閾值監(jiān)測(cè)記錄

將測(cè)溫電纜埋入井下采空區(qū)，緊靠巷道底板和外煤壁，系統(tǒng)在井下測(cè)試運(yùn)行20 d，運(yùn)行正常，依次選取5個(gè)節(jié)點(diǎn)（隔12 h記錄一次溫度變化）的10組溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不同節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線如圖3所示?？梢钥闯觯鞴?jié)點(diǎn)的溫度變化呈持續(xù)上升的趨勢(shì)。系統(tǒng)在井下對(duì)煤自燃隱蔽區(qū)域進(jìn)行連續(xù)無(wú)間斷的預(yù)警監(jiān)控，能夠高可靠、持續(xù)地工作。

圖3 不同節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

高可靠性煤礦井下火源無(wú)線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)，WaveMesh多徑路由協(xié)議，組成多跳網(wǎng)絡(luò)在不同路由間自由切換，能夠充分利用無(wú)線信號(hào)的冗余性。在硬件上有針對(duì)性地進(jìn)行了抗干擾和防爆處理，有效地提高了整個(gè)系統(tǒng)井下監(jiān)測(cè)工作的可靠性和安全性。經(jīng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足煤礦井下火源大范圍監(jiān)測(cè)的要求，應(yīng)用WaveMesh能夠形成高密度的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)可裁剪性、自愈性好。

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