基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦定位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾永華

【摘要】 為了能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦整體生產(chǎn)過程的安全管理，減少煤礦事故的發(fā)生，應(yīng)用射頻識(shí)別技術(shù)、無線通信技術(shù)以及相應(yīng)的瓦斯傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)井下定位與智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效增強(qiáng)對(duì)礦工的安全保障，提升煤礦安全管理的效果。本系統(tǒng)使用中心數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合應(yīng)用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于礦工位置的實(shí)時(shí)定位以及跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)于瓦斯的監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) 煤礦定位 識(shí)別 監(jiān)控 定位 設(shè)計(jì)

煤礦安全生產(chǎn)管理的智能化、信息化是煤礦生產(chǎn)管理部門以及煤礦企業(yè)極為關(guān)心的重點(diǎn)問題。我國(guó)井下通信和定位系統(tǒng)基本上沿用了通過線纜實(shí)現(xiàn)有線通信的工作方式，線纜的通信方式具有鋪設(shè)成本過高，系統(tǒng)升級(jí)改造不方便等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)基于射頻識(shí)別、瓦斯傳感以及ZigBee通信方式的定位與智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)礦井的智能化管理具有重要意義。

一、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦定位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由RFID為核心的定位模塊、瓦斯傳感裝置以及基于ZigBee的無線通信和地面控制中心構(gòu)成，瓦斯傳感器采用了適應(yīng)性以及線性度較高的MQ-4氣體傳感器，RFID采用了NRE24LE1芯片，無線通信ZigBee模塊則采用了CC2430芯片設(shè)計(jì)。

1、定位監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。定位監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee實(shí)現(xiàn)無線通信，通信網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)以及路由器節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成。首先由RFID進(jìn)行標(biāo)簽以及瓦斯傳感器等相關(guān)數(shù)據(jù)的識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫以及向ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)的傳輸，也接受來自ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)，所有的測(cè)試數(shù)據(jù)都可以對(duì)地面控制中心完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2、RFID定位模塊與瓦斯傳感器。RFID定位模塊主要由有源電子標(biāo)簽以及讀寫器構(gòu)成，讀寫器通過無線數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)與ZigBee路由器的連接。當(dāng)?shù)V工在工作的時(shí)候，讀寫器對(duì)其范圍內(nèi)的有源電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)。電子標(biāo)簽只有在具有讀寫的能量場(chǎng)的時(shí)候才處于工作狀態(tài)，消耗一定的功率，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽長(zhǎng)時(shí)間的工作。工作中，電子標(biāo)簽?zāi)軌蛑鲃?dòng)發(fā)送自身的識(shí)別代碼以及員工的信息等數(shù)據(jù)。瓦斯傳感器是系統(tǒng)的檢測(cè)裝置，通過對(duì)不同分類、不同體積的氣體的電阻值進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)其輸出電壓進(jìn)行判斷。

3、讀寫器的布設(shè)。在礦井監(jiān)測(cè)中員工的定位主要依靠讀寫器的功能，因?yàn)閷?shí)際工作環(huán)境較為復(fù)雜，因此當(dāng)讀寫器被布設(shè)到某一個(gè)位置的時(shí)候，讀寫器的讀取范圍不一定能夠達(dá)到理想的監(jiān)測(cè)范圍，如在巷道拐彎等地方或讀寫器的信號(hào)盲區(qū)。因此良好的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方案可以提升更為精確的定位，同時(shí)也能夠降低讀寫器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的成本。

二、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)礦井人員和監(jiān)測(cè)中心管理功能的整體分析，確定了本系統(tǒng)在綜合硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上具有以下的功能。首先是實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)；其次要能夠保證員工的求救信號(hào)獲取以及實(shí)時(shí)位置分析；同時(shí)系統(tǒng)需要具備保障功能，保護(hù)礦井工作人員的安全。

2.1 斯監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)

在礦井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)要能夠?qū)ν咚乖诔^報(bào)警體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)超過預(yù)定指標(biāo)的時(shí)候，系統(tǒng)提示工作人員進(jìn)行情況的分析與原因的分析，并進(jìn)行及時(shí)處理。瓦斯的體積分?jǐn)?shù)由0.4%上升到0.7%的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)可以對(duì)超標(biāo)的體積分?jǐn)?shù)、具體分布位置以及附近的員工進(jìn)行查詢。工作效果如表1所示

2.2 危險(xiǎn)區(qū)域報(bào)警

在工作過程中，如果員工進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域，讀寫器通過聲光報(bào)警信號(hào)提示危險(xiǎn)信息，提醒員工撤離，通過讀寫器將報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂浦行模刂浦行牡娜藛T可以查詢并確定危險(xiǎn)區(qū)域的具體位置以及處于危險(xiǎn)區(qū)域員工的相關(guān)信息。當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，地面監(jiān)控中心可以向井下發(fā)報(bào)警信號(hào)，定位基站接到信號(hào)后發(fā)出報(bào)警聲來通知井下人員緊急撤離。

三、結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦定位與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)確定礦井施工人員的準(zhǔn)確位置。通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無障礙、無信號(hào)盲區(qū)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)控中心的人員對(duì)礦井下面的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，并能夠在險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)及時(shí)進(jìn)行定位并實(shí)施有效的救援。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、功耗低以及適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際煤礦安全生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。