基于物聯(lián)網(wǎng)技術的煤礦定位與監(jiān)測系統(tǒng)設計

曾永華

【摘要】 為了能夠有效實現(xiàn)對煤礦整體生產過程的安全管理，減少煤礦事故的發(fā)生，應用射頻識別技術、無線通信技術以及相應的瓦斯傳感器技術設計井下定位與智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效增強對礦工的安全保障，提升煤礦安全管理的效果。本系統(tǒng)使用中心數(shù)據(jù)庫，綜合應用ZigBee技術實現(xiàn)對于礦工位置的實時定位以及跟蹤，實現(xiàn)對于瓦斯的監(jiān)控。

【關鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) 煤礦定位 識別 監(jiān)控 定位 設計

煤礦安全生產管理的智能化、信息化是煤礦生產管理部門以及煤礦企業(yè)極為關心的重點問題。我國井下通信和定位系統(tǒng)基本上沿用了通過線纜實現(xiàn)有線通信的工作方式，線纜的通信方式具有鋪設成本過高，系統(tǒng)升級改造不方便等缺點。設計基于射頻識別、瓦斯傳感以及ZigBee通信方式的定位與智能檢測系統(tǒng)對于實現(xiàn)礦井的智能化管理具有重要意義。

一、系統(tǒng)整體設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的煤礦定位與監(jiān)測系統(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成，瓦斯傳感器采用了適應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芯片設計。

1、定位監(jiān)控網(wǎng)絡。定位監(jiān)控網(wǎng)絡通過ZigBee實現(xiàn)無線通信，通信網(wǎng)絡由若干個監(jiān)測點以及協(xié)調節(jié)點以及路由器節(jié)點等構成。首先由RFID進行標簽以及瓦斯傳感器等相關數(shù)據(jù)的識別，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫以及向ZigBee路由器節(jié)點的傳輸，也接受來自ZigBee路由器節(jié)點的各項實時控制數(shù)據(jù)，所有的測試數(shù)據(jù)都可以對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簽以及讀寫器構成，讀寫器通過無線數(shù)據(jù)實現(xiàn)與ZigBee路由器的連接。當?shù)V工在工作的時候，讀寫器對其范圍內的有源電子標簽進行讀寫，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺。電子標簽只有在具有讀寫的能量場的時候才處于工作狀態(tài)，消耗一定的功率，平時處于休眠狀態(tài)，以此實現(xiàn)電子標簽長時間的工作。工作中，電子標簽能夠主動發(fā)送自身的識別代碼以及員工的信息等數(shù)據(jù)。瓦斯傳感器是系統(tǒng)的檢測裝置，通過對不同分類、不同體積的氣體的電阻值進行檢測，根據(jù)其輸出電壓進行判斷。

3、讀寫器的布設。在礦井監(jiān)測中員工的定位主要依靠讀寫器的功能，因為實際工作環(huán)境較為復雜，因此當讀寫器被布設到某一個位置的時候，讀寫器的讀取范圍不一定能夠達到理想的監(jiān)測范圍，如在巷道拐彎等地方或讀寫器的信號盲區(qū)。因此良好的網(wǎng)絡布設方案可以提升更為精確的定位，同時也能夠降低讀寫器網(wǎng)絡布設的成本。

二、監(jiān)測系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

通過對礦井人員和監(jiān)測中心管理功能的整體分析，確定了本系統(tǒng)在綜合硬件設計以及軟件設計的基礎上具有以下的功能。首先是實時監(jiān)控礦井內的瓦斯體積分數(shù)；其次要能夠保證員工的求救信號獲取以及實時位置分析；同時系統(tǒng)需要具備保障功能，保護礦井工作人員的安全。

2.1 斯監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控礦井內的瓦斯體積分數(shù)

在礦井實時監(jiān)測系統(tǒng)實際應用過程中，系統(tǒng)要能夠對瓦斯在超過報警體積分數(shù)進行監(jiān)測，當超過預定指標的時候，系統(tǒng)提示工作人員進行情況的分析與原因的分析，并進行及時處理。瓦斯的體積分數(shù)由0.4%上升到0.7%的時候，系統(tǒng)進行報警，同時可以對超標的體積分數(shù)、具體分布位置以及附近的員工進行查詢。工作效果如表1所示

2.2 危險區(qū)域報警

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

三、結論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的煤礦定位與監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對瓦斯體積分數(shù)的實時監(jiān)測，同時確定礦井施工人員的準確位置。通過網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)無障礙、無信號盲區(qū)的監(jiān)測，監(jiān)控中心的人員對礦井下面的狀態(tài)進行實時監(jiān)管，并能夠在險情發(fā)生時及時進行定位并實施有效的救援。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的監(jiān)測系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、功耗低以及適應復雜工作環(huán)境等優(yōu)點，在實際煤礦安全生產中具有重要的應用價值。