基于無線傳輸技術(shù)的礦用新型瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

杜 剛

（晉能控股天安煤業(yè)有限公司，山西晉城048000）

煤炭作為一種重要的化石資源，在我國發(fā)揮著重要的作用。但是煤炭的開采工作具有一定的困難，其礦井內(nèi)部的環(huán)境惡劣，氣候潮濕，塵土較多，電磁干擾嚴(yán)重。同時，礦井內(nèi)部的空氣成分復(fù)雜，伴隨著大量的一氧化碳及瓦斯氣體，對人類的呼吸系統(tǒng)影響極大。隨著煤礦開采的大規(guī)模進行，事故發(fā)生頻繁，尤其是瓦斯事故，給煤礦開采工作造成了較大的阻礙，直接影響到了人類的生命安全及煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益。而隨著煤炭開發(fā)的程度加深，瓦斯中毒及爆炸等事故頻發(fā)，造成較大的社會影響。據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)報道，我國煤礦事故的大部分都是由瓦斯氣體引起的，且造成危害較大，死亡人數(shù)較多，具有較大的影響力[1-4]。因此，為了遵循安全生產(chǎn)的原則，我們需要對礦井內(nèi)部的瓦斯?jié)舛冗M行精準(zhǔn)檢測，一旦濃度超標(biāo)將及時報警，進而保障礦井工人的生命安全。

傳統(tǒng)的地下礦井檢測系統(tǒng)具有諸多弊端，它是由電纜組成。通過在煤礦內(nèi)部布置大量的電纜線，并通過各類傳感器進行檢測，通過監(jiān)測各區(qū)域的瓦斯?jié)舛?，保障生命安全。正如上面所說，利用線纜的檢測方式存在以下問題：①地下巷道復(fù)雜，因此受地形的影響，其布線工作量較大，且布線沒有規(guī)律，花費大量的人力及物力進行線纜的設(shè)計及鋪設(shè)，同時，鋪設(shè)電纜方式的靈活性較差，甚至?xí)霈F(xiàn)鋪設(shè)不到位的現(xiàn)象。②只有在電纜鋪設(shè)的區(qū)域才能實現(xiàn)監(jiān)控任務(wù)，因此監(jiān)控區(qū)域受到的約束較大，肯定會出現(xiàn)盲區(qū)，進而導(dǎo)致事故隱患，使其工作的安全性得不到保障。③線纜鋪設(shè)完成后，由于其地下環(huán)境惡劣，因此需要花費時間去定期維護，況且維護困難，故障維修較為困難，其經(jīng)濟性較差。

作者對上述的檢測方式進行了改進，突破了傳統(tǒng)檢測方式的弊端，解決了線纜鋪設(shè)的局限性，降低了對設(shè)備的要求。本文通過無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合傳感器的模式進行檢測，該檢測方式不需要鋪設(shè)大量的線纜，可以將其檢測裝置自由配置，避免了大量的人力消耗，增加了檢測系統(tǒng)的靈活性，同時，該系統(tǒng)還設(shè)計了較為良好的人際交互界面，該界面操作簡單，能夠直觀顯示瓦斯?jié)舛?，實現(xiàn)了實時監(jiān)控，通過對該氣體濃度監(jiān)控，有效地避免了事故的發(fā)生。

1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求和參數(shù)

礦井內(nèi)部的環(huán)境惡劣，氣候潮濕，塵土較多，電磁干擾嚴(yán)重。同時，礦井內(nèi)部的空氣成分復(fù)雜，伴隨著大量的一氧化碳及瓦斯氣體，對人類的呼吸系統(tǒng)影響極大。因此為了保障監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要該設(shè)備具有防潮及防輻射等功能。

我國對煤炭開采行業(yè)制定了較多的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保障開采的安全性。正如《煤礦安全管理規(guī)程》一樣，該規(guī)程規(guī)定了井下氣體的安全濃度，其具體濃度如表1所示。

表1 煤礦井下有毒有害氣體檢測技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)上述的氣體檢測標(biāo)準(zhǔn)可知，礦井內(nèi)部的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足以下條件：

（1）安全性。礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，一類是以傳感器為核心的硬件設(shè)備，另一類則是監(jiān)控軟件。兩部分共同作用，實現(xiàn)監(jiān)控功能。前者設(shè)備需要適應(yīng)地下礦井的惡劣環(huán)境，能夠滿足防塵、防腐蝕等性能。同時，硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸也不能受到影響，保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（2）完善的系統(tǒng)管理。根據(jù)上述的描述可知，礦井巷道復(fù)雜，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)也需要定期進行維護，防止監(jiān)控系統(tǒng)失效，這就對系統(tǒng)設(shè)計提供了挑戰(zhàn)，監(jiān)控系統(tǒng)必須維護方便，系統(tǒng)管理符合要求。

（3）地下煤礦內(nèi)部的空間有限，因此需要充分利用內(nèi)部資源，通過無線網(wǎng)絡(luò)信息進行傳輸，避免了空間的浪費，且不需要花費大量人力進行布線。同時，可以通過上位機進行集中管理，極大地改善了檢測的準(zhǔn)確性，使其能夠在規(guī)定時間內(nèi)報警，實現(xiàn)內(nèi)部瓦斯?jié)舛鹊臋z測[5-8]。

2 基于無線傳輸技術(shù)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)上述監(jiān)控系統(tǒng)的要求，對其系統(tǒng)進行設(shè)計，選擇合適參數(shù)。該系統(tǒng)需要從硬件及軟件兩部分進行設(shè)計，滿足當(dāng)前的檢測需求。圖1 則是總體設(shè)計方案架構(gòu)圖。

圖1 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)組成

正如圖1 所示，該監(jiān)控系統(tǒng)大致分為四部分，下面將對其進行詳細闡述，第一部分為智能感知層，第二部分則為傳輸層，第三部分則是數(shù)據(jù)分析層，第四部分則是監(jiān)控及報警層。各部分的功能不相同，分別由不同模塊組成。第一部分則是以傳感器為核心進行傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建，內(nèi)部有多個傳感器，可以完成井下氣體的感知任務(wù)。該傳感器體積小，分布較廣，利用自組織的形式組建了網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)氣體檢測及采集等功能。而第二部分的信號傳輸則承擔(dān)了信息的傳遞任務(wù)，它主要傳遞傳感器采集的信息。而第三部分則是整個系統(tǒng)的核心，它主要是對傳感器的信息進行處理，其內(nèi)部集成了CPU，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，同時該系統(tǒng)具有多種模式，最為典型的則是PID控制，通過該方式實時控制瓦斯的濃度，使其維持在正常水平，一旦濃度超標(biāo)，則會發(fā)生報警，提醒施工人員，保障安全生產(chǎn)。第四部分則是主要由各類監(jiān)控設(shè)備構(gòu)成，可實時顯示濃度信息，同時也能將一段時間內(nèi)的瓦斯?jié)舛融厔萃ㄟ^曲線的形式展示，保存好歷史的瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ奖阋院蟮氖鹿史治?。圖2則為該監(jiān)控方案的原理圖。

圖2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體方案圖

正如圖2 所示。該監(jiān)控方案分為地上監(jiān)控及地下監(jiān)控兩部分，地上監(jiān)控的主要核心則是監(jiān)控中心，而地下監(jiān)控的關(guān)鍵則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)采集的瓦斯?jié)舛刃畔?，并將信息傳輸給網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點，該接收節(jié)點處于地下。該傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了星型方式進行搭建，具體的搭建方式如圖所示，將地下采集的信息通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸?shù)降厣系谋O(jiān)控系統(tǒng)，從而避免了地下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，保障了生產(chǎn)安全。

3 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器選型

該監(jiān)控系統(tǒng)的核心則是瓦斯監(jiān)控傳感器，它主要是將瓦斯?jié)舛刃畔⑥D(zhuǎn)化為電信號并進行傳輸，進而實現(xiàn)濃度檢測。正如圖上顯示，該系統(tǒng)使用的瓦斯監(jiān)控傳感器的型號為KGS-20，它是專門用于檢測濃度的傳感器，其內(nèi)部含有二氧化錫，它是一類敏感材料，遇到瓦斯氣體會發(fā)生反應(yīng)。該傳感器是一種半導(dǎo)體傳感器，可檢測可燃氣體的濃度，此類傳感器的靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有一定的應(yīng)用范圍，是最常見的氣體檢測設(shè)備之一。其實物圖如3(a)，而內(nèi)部的電路圖則如圖3(b)所示。

圖3 KGS-20瓦斯傳感器及電路圖

該瓦斯傳感器可用于檢測可燃氣體，它是一類半導(dǎo)體類型的檢測設(shè)備，其內(nèi)部含有電路，可以輸出電流及電壓信號。同時該傳感器的輸出電流范圍為1～5mA，而輸出電壓的范圍為1～5V。該傳感器將電壓及電流信息輸送給監(jiān)控系統(tǒng)，由該系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，完成監(jiān)測工作[9]。

從上述的傳感器電路可以看出，該傳感器的探頭內(nèi)部含有監(jiān)測元件，當(dāng)?shù)V井內(nèi)部不含氣體時，其內(nèi)部的電橋處在平衡狀態(tài)。而當(dāng)?shù)V井內(nèi)部含有瓦斯氣體，探頭內(nèi)部元件發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致電路的電橋不穩(wěn)定，電路失去平衡，進而產(chǎn)生電信號，而由于礦井內(nèi)部的濃度較小，產(chǎn)生的電信號很微弱，因此需要使用AD623實現(xiàn)信號的方法，同時通過處理器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并利用射頻模塊進行信號的傳輸。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

該瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)安裝在礦井中，而礦井內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，因此需要在內(nèi)部多個點布置其傳感器，并將其連接到中心節(jié)點中，實現(xiàn)統(tǒng)一控制。同時，采用傳感器技術(shù)能夠提高監(jiān)測精度，提高系統(tǒng)的管理水平，圖4則為整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件組成結(jié)構(gòu)

通過圖4可以得知，該監(jiān)控系統(tǒng)的硬件核心為傳感器，圍繞瓦斯傳感器的采集及接收節(jié)點進行搭建，結(jié)合監(jiān)控計算機完成了整個監(jiān)控系統(tǒng)。而傳感器的監(jiān)測節(jié)點可以組成通信網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，并上傳到地面系統(tǒng)，而該系統(tǒng)中，每個傳感器的節(jié)點都是嵌入式系統(tǒng)，通過該種方式，節(jié)約系統(tǒng)的帶寬，進而加大了設(shè)備的便利性。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計與監(jiān)控系統(tǒng)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點均使用了嵌入式的開發(fā)環(huán)境。通過嵌入式提供的IAR 框架與其他設(shè)備結(jié)合，實現(xiàn)了監(jiān)控功能。而嵌入式系統(tǒng)的處理器位數(shù)種類較多，最為常見的則是8位、16位和32位等。在進行項目開發(fā)時，系統(tǒng)提供了豐富的開發(fā)工具，能夠使用大量的代碼庫，提高可開發(fā)效率，使得工作時間及難度大大降低。而本項目設(shè)計的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分也是利用了IAR Embedded Workbench。傳感器網(wǎng)絡(luò)會對氣體濃度進行采集，并通過射頻模塊接收地址數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器的采集節(jié)點與地址信息是否對應(yīng)需要進行判斷，當(dāng)滿足一致性時，則會將采集的濃度信息由射頻模塊發(fā)出，接收節(jié)點進行數(shù)據(jù)的接收。另外，該系統(tǒng)還能控制瓦斯?jié)舛?，其具體的控制流程如圖5所示，通過判斷發(fā)送及接收模塊，確定數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點工作流程圖

該傳感器網(wǎng)絡(luò)的接收節(jié)點主要有兩個功能，一個是接收上位機的指令，并將該指令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的采集節(jié)點，該節(jié)點會對發(fā)送的信息進行解析，完成相應(yīng)的功能。而另一功能則是接收采集節(jié)點發(fā)送的濃度信息，通過對該濃度信息進行分析，并通過數(shù)碼管及上位機系統(tǒng)顯示，同時，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時，則會通過聲光電的形式進行預(yù)警[10]。

5 應(yīng)用效果

從上面的描述可知，該瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，由硬件及軟件兩部分組成，通過系統(tǒng)的測試，可以實現(xiàn)其瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測功能，下面給將進行傳統(tǒng)的檢測方式與該新型方式進行對比，其結(jié)果如表2所示。

表2 傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)與新型監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果對比

根據(jù)表2的對比信息可知，該新型的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)的識別精度及速度遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測方式，具有一定的實用性，可進行大范圍推廣。

6 結(jié)語

瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)中的常見事故，而傳統(tǒng)的檢測方式有著諸多的弊端，具有識別速度慢、精度低等問題。而基于無線傳感器系統(tǒng)的新型檢測系統(tǒng)能夠解決上述的弊端，它由硬件及軟件兩部分構(gòu)成，當(dāng)?shù)V井內(nèi)部的瓦斯氣體超標(biāo)時，可以發(fā)出預(yù)警信號，提醒施工人員，保障了安全生產(chǎn)。該新型檢測系統(tǒng)可以通過無線進行數(shù)據(jù)傳輸，檢測精度較高，布線靈活，有效地避免了事故的發(fā)生，提高了煤礦開采的安全性。