礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)

1、礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、研究背景與意義近年來，我國煤礦安全事故頻頻發(fā)生，尤其是重、特大傷亡事故屢見不鮮。造成了慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，在這些事故中，瓦斯爆炸占了絕大多數(shù)。傳統(tǒng)的煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)大多采用有線方式進(jìn)行監(jiān)測，有線監(jiān)測方式存在兩方面缺陷：一方面，由于采用有線方式傳輸，系統(tǒng)對(duì)于線路的依賴性較強(qiáng)，在礦井內(nèi)某些地方會(huì)存在布線困難的情況；另一方面，有線方式的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)某些結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測區(qū)域內(nèi)局部地方失去監(jiān)測功能。本文應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套礦井瓦斯監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)將礦井下作業(yè)區(qū)采集的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)ZigBee無線信道傳輸?shù)酵咚贡O(jiān)控網(wǎng)關(guān)分站，然

2、后再通過有線方式傳到地面監(jiān)控中心，進(jìn)行監(jiān)控與應(yīng)急處理，能夠圓滿的解決有線方式監(jiān)測系統(tǒng)所存在的問題，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。二、國內(nèi)外研究狀況目前我國普遍采用的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)都是以工業(yè)總線作為基礎(chǔ)，井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)與地面信息中心一般通過電纜或光纖連接，構(gòu)成有線的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，這些線路需要有專業(yè)人員建立和維護(hù)，若線路施工不及時(shí)就會(huì)造成瓦斯漏檢。并存在以下缺點(diǎn)：1. 有線通信方式布線復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度高，同時(shí)鋪設(shè)速度較慢，容易在建設(shè)初期形成安全上的盲點(diǎn)；2.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，不適合掘進(jìn)工作面延伸的動(dòng)態(tài)變化要求;在煤礦實(shí)際開采過程中，經(jīng)常需要對(duì)某一地區(qū)進(jìn)行試探性挖掘，由于形成的探測巷長度事先無法預(yù)知，巷道隨

3、時(shí)可能廢棄或者增加掘進(jìn)深度，所以對(duì)于工業(yè)總線而言，其擴(kuò)展性!靈活性存在不足，還容易造成資源的浪費(fèi)，引起成本的提高；3.監(jiān)測點(diǎn)相對(duì)固定，容易出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)；4.工作現(xiàn)場的通信線路容易破壞，破壞后的恢復(fù)周期一般較長；5.通信線路維護(hù)成本高，造成部分煤礦出現(xiàn)邊維護(hù)!邊生產(chǎn)的違規(guī)現(xiàn)象，甚至有些煤礦干脆不維護(hù)。綜上所述，依靠有線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全礦井瓦斯參數(shù)的無縫監(jiān)測還具有一定的局限性，不可避免地留下了大量的安全隱患。現(xiàn)有的有線監(jiān)控系統(tǒng)較難達(dá)到對(duì)礦井瓦斯參數(shù)的動(dòng)態(tài)全方位監(jiān)測。并且，伴隨著煤礦開采速度的加快，有線網(wǎng)絡(luò)在覆蓋率!擴(kuò)展性!靈活性方面的問題更為嚴(yán)重。因此，需要在現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，以解決在

4、礦井瓦斯監(jiān)測方面的問題。三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案整個(gè)煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括地面監(jiān)控中心、礦井瓦斯監(jiān)控基站和無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)三個(gè)部分。系統(tǒng)架構(gòu)圖和信號(hào)流程圖如圖1和圖2所示。圖1 礦井瓦斯監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)圖圖2 系統(tǒng)信號(hào)流程圖3.1 地面監(jiān)控中心 地面監(jiān)控中心有以太網(wǎng)交換機(jī)、系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)以及監(jiān)控中心監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件等組成。它對(duì)整個(gè)礦井下的瓦斯采集信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理，通過計(jì)算機(jī)可以顯示井下工作人員所到之處的瓦斯?jié)舛戎?，還可以采用軟件進(jìn)行可視化處理，當(dāng)發(fā)生瓦斯突出泄露時(shí)可以找到準(zhǔn)確的地點(diǎn)，及時(shí)通知井下工作人員撤離并進(jìn)行調(diào)度指揮，保障井下員工生命安全。其他有權(quán)限的計(jì)算機(jī)通過瀏覽器可以調(diào)閱本

5、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，便于信息共享。3.2 井下瓦斯監(jiān)控基站 井下瓦斯監(jiān)控基站是井下無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K點(diǎn)。瓦斯數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)在井下傳輸，最終被監(jiān)控基站接收并上傳。監(jiān)控基站設(shè)置在巷道分岔口，各個(gè)工作面的關(guān)鍵部位，與地面監(jiān)控中心有線連接，及時(shí)將數(shù)據(jù)上傳。各井下監(jiān)控基站與井下交換機(jī)之間的通訊采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行，保證井下的瓦斯檢測的數(shù)據(jù)及時(shí)地傳送到地面監(jiān)控中心。3.3 井下無線傳感器節(jié)點(diǎn) 無線瓦斯傳感器采集瓦斯信號(hào)，經(jīng)過微弱信號(hào)放大電路，A/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)存儲(chǔ)管理其數(shù)據(jù)。傳感器采用定時(shí)輸出、無線電發(fā)送方式。其核心電路由檢測電路、放大電路、單片機(jī)、2.4GHz無線發(fā)射電路組成。該傳感器有兩種供電模式，當(dāng)

6、裝置放在采煤機(jī)上時(shí)，由采煤機(jī)電源轉(zhuǎn)換后的直流電源供電;當(dāng)由礦井工作人員攜帶時(shí)，則由礦燈電源供電。四、系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)方案硬件系統(tǒng)主要包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)，瓦斯監(jiān)控基站，交換機(jī)、地面監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。如圖3為煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)圖。其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有采集瓦斯?jié)舛群蜔o線傳輸數(shù)據(jù)功能，主要采用基于Zigbee技術(shù)的無線模塊和紅一外傳感器組成，具備了移動(dòng)采集瓦斯?jié)舛鹊膬?yōu)勢。瓦斯監(jiān)控基站由具有路由功能的控制模塊和Zigbee無線模塊組成，是在無線傳感器采集與傳輸系統(tǒng)及監(jiān)測與管理系統(tǒng)之間一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)的作用是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，相當(dāng)于兩個(gè)系統(tǒng)之間的一個(gè)網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)

7、。瓦斯監(jiān)控基站通過交換機(jī)與監(jiān)測管理中心進(jìn)行通信，具有監(jiān)測與管理系統(tǒng)功能，對(duì)采集與傳輸系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)所顯示的需求對(duì)礦井內(nèi)的執(zhí)行器件發(fā)出相應(yīng)的控制命令。圖3 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)圖 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)即瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，而且收集數(shù)據(jù)的時(shí)間可以有間隔，且數(shù)據(jù)簡單，屬于低數(shù)據(jù)率的傳輸，但要求系統(tǒng)能夠長時(shí)間地工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee協(xié)議的低數(shù)據(jù)率和低功耗的特點(diǎn)，以及網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)礦井下復(fù)雜地形的適應(yīng)，滿足了對(duì)系統(tǒng)的設(shè)想和要求，所以選用ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測平臺(tái)。 井下監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點(diǎn)和瓦斯監(jiān)控基站兩部分構(gòu)成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)包含無線紅

8、外氣體檢測傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、ZigBee無線模塊以及其它應(yīng)用軟件。信號(hào)調(diào)理模塊根據(jù)變送器的類型有所不同，它實(shí)現(xiàn)將傳感器信號(hào)調(diào)理到合適的范圍輸入至模數(shù)轉(zhuǎn)換單元或者將數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)理之后送給執(zhí)行單元。瓦斯監(jiān)控基站包含ZigBee無線模塊、應(yīng)用軟件、RS一232接口、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等。 實(shí)時(shí)多任務(wù)管理模塊：負(fù)責(zé)管理和協(xié)一調(diào)瓦斯監(jiān)控基站中的各種任務(wù)，包括礦中站點(diǎn)的識(shí)別配置，用戶的具體應(yīng)用，它負(fù)責(zé)瓦斯監(jiān)控基站中所有任務(wù)的調(diào)度。目前任務(wù)調(diào)度仍然采用了前后臺(tái)的程序架構(gòu)，為了提高程序的實(shí)時(shí)性，可以采用嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。 ZigBee無線模塊：在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了無線的數(shù)據(jù)

9、傳送。 RS一232接口、網(wǎng)絡(luò)接口模塊：在瓦斯監(jiān)控基站中具有，用于下位機(jī)與上位機(jī)通信的接口。五、總結(jié)與展望 煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警是困擾煤礦安全生產(chǎn)的一大難題，目前我國普遍采用的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)都是以工業(yè)總線作為基礎(chǔ)，井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)與地面信息中心一般通過電纜或光纖連接，構(gòu)成有線的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，這些線路需要有專業(yè)人員建立和維護(hù)，若線路施工不及時(shí)就會(huì)造成瓦斯漏檢。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)能夠圓滿的解決有線方式監(jiān)測系統(tǒng)所存在的問題，具有極大的推廣價(jià)值，擁有良好的市場前景。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。隨著信息技術(shù)日益發(fā)展，ZigBee技術(shù)將在煤礦安全系統(tǒng)等工業(yè)安全系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位。無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將提高整個(gè)系統(tǒng)的控制范圍!加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性!增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性。ZigBee技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是希望能發(fā)展一種低成本無線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)其低耗電性將使產(chǎn)品的電池能維持6個(gè)月到數(shù)年的時(shí)間。后續(xù)研究工作可從以下三個(gè)方面深入:（1）ZigBee硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)協(xié)議棧中的路由及仿真，安全，進(jìn)行深入開發(fā)。更加完善其在多設(shè)備同