基于無線傳感器的煤礦安全監控系統研究

楊濟溶

(同煤集團煤峪口礦)

?

基于無線傳感器的煤礦安全監控系統研究

楊濟溶

(同煤集團煤峪口礦)

摘要近年來，煤礦安全生產形勢依然嚴峻，為有效解決煤礦生產中的安全問題，結合某礦生產實際情況，設計了一套以無線傳感器為基礎的安全監控系統，分析了安全監控系統的工作原理，硬件系統模塊采用了AT89S52微處理器、高靈敏度的紅外線數字傳感器等，軟件系統模塊設計了主程序和子程序。通過在某礦投入使用，結果表明：無線傳感器安全監控系統符合安全監控要求，性能穩定，能耗低，便于操作、檢修和維護，安全經濟效益顯著。

關鍵詞無線傳感器煤礦安全監控系統安全經濟效益

近年來，礦井安全事故頻發，嚴重損害了工人的生命權益，影響了礦井的正常生產[1-3]。加快完善煤礦安全監控系統可避免礦井安全事故的發生[4-5]。無線傳感器的出現以及應用可使得礦井安全監控系統具有更穩定的性能和更完備的功能，這主要得益于無線傳感器監控系統軟、硬件的先進性，一般而言，硬件模塊主要包括微處理器、無線傳輸模塊等，軟件系統涵蓋了主程序和子程序[6]。因此，建立性能穩定和功能完備的基于無線傳感器的煤礦安全監控系統具有十分重要的意義[7]。

1系統工作原理

安全監控系統的一個重要組成部分是井上工作臺控制系統，另一輔助部分則為井下部分。系統設置有2種行走模式：紅外自動避障、無線遙控。2種行走模式的實現是通過控制核心AT89S52微處理器完成的。系統采用MQ-2、SHT10傳感器，監測和采集礦井瓦斯的體積分數、溫度、濕度等數據，并經放大以及A/D 轉換，再傳輸至單片機，最后實現數據的無線回傳，并可通過地面控制中心的操作模塊根據接收的數據信息發出相應的操作指令。系統的供電是通過蓄電池和電壓轉換模塊來實現的。圖1為系統的結構原理。

2系統硬件設計

2.1微處理器

本系統采用AT89S52微控制器，它具有功耗低、性能高(CMOS8)等優點。同時，它的Flash部分有8 k字節，RAM部分具有256字節，I/O口線為32位，定時器和計數器為16位，數量均為3個，2級中斷結構有6向量，數量為1，接口為全雙工串行口，電路模式有低能耗空閑模式和掉電模式。

圖1　系統的結構原理

2.2紅外傳感器

系統設置了避障裝置，為確定此裝置在運行過程中是否存在故障，利用具有高靈敏度的紅外線數字傳感器進行檢測。這種傳感器不需要通過A/D轉換信號數據，可直接輸出數字量傳遞信號，通過傳感器與單片機的I/O口相接實現。此外，紅外傳感器不需要太大的電壓，電壓為3.8～5.5 V。同時該傳感器具有較大的檢測距離，最大距離可達1 m，且具有功耗低、可靠性高、體積小等優勢。

2.3無線傳輸模塊

系統采用nRF905無線數據傳輸模塊，屬于單片射頻收發器，具有較小的工作電壓，約為(2.8±0.8) V，模塊工作時有3個ISM頻段：433、868、915頻段，頻道轉換用時少，一般不會超過650 μs。傳輸速率大，最大達到100 kb/s，其與微控制器通過SPI接口實現通信。同時該模塊也具有低功耗特點，如在-10 dBm輸出功率發射情況下，電流較小，僅有11 mA，在接收情況下，電流也僅有12.5 mA。此外，為便于進行功率管理，模塊設置了2種模式，即空閑模式和關機模式。

2.4溫濕度傳感器

為實時掌握礦井的溫度和濕度情況，采用SHT10溫濕度傳感器檢測并采集溫濕度數據。首先，SHT10溫濕度傳感器對信號進行處理，而后集成數據，再將全標定的數據進行傳送。此傳感器響應速度快，具有較強的抗干擾能力。

2.5瓦斯傳感器

瓦斯對礦井的安全作業造成嚴重影響，因此，有效的瓦斯監測體系對保證礦井安全生產具有十分重要的意義。瓦斯的組成成分較多，主要為甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氮氣(N2)，硫化氫(H2S)等有害氣體含量較少[8-9]。系統采用MQ-2型瓦斯傳感器，靈敏度高，響應速度快，穩定性和可靠性高。探測甲烷時，探測范圍較大，達0.02。此外，還專門為MQ-2傳感器設計了檢測電路。

3系統軟件設計

3.1主程序設計

在主程序設計過程中，采用了模塊化設計思路。首先對單片機進行初始化，其次，使用系統采集礦井溫濕度等參數值，再將系統采集的數據進行A/D轉換，通過無線傳輸模塊傳送至無線數據接收模塊，然后傳送至AT89S52微處理器，通過數據處理，最后顯示在液晶屏上，如此循環往復。如果數據大于預設安全值時，報警器就會發出報警信號。主程序流程見圖2。

圖2　主程序流程

3.2子程序設計

3.2.1傳感器子程序

系統采用了瓦斯、溫濕度傳感器，二者均具有較高的靈敏度，在進行數據采樣之前，應先連接傳感器和單片機并通電，將采樣數據值與預設值進行比較，如果采樣數據值大于預設數值，則報警器就會發出報警信號。傳感器流程見圖3。

圖3　傳感器流程

3.2.2無線傳輸子程序

系統傳輸與接收數據均通過nRF905實現。單片機通過控制發射模塊處理數據，而后發射端接收處理后的數據并發送，nRF905模塊則向單片機進行信號反饋。接收端是由單片機控制，實質上是通過nRF905模塊進入接收模式實現。若nRF905模塊搜索到與之頻段相同的信號，并具有相匹配的地址，才能接收數據。數據接收完成后，接收端單片機就會提取相關數據。

3.3井上控制中心監管軟件設計

在地面控制中心設計了監管軟件系統，包括若干子系統，主要由操作子系統、監測子系統等組成。該軟件系統采用Delphi7.0編寫，其后臺數據庫為Microsoft Access 2003，可將各種參數直觀地顯示出來，主要以表格、函數曲線等形式表示，方便打印。同時，操作電腦屏幕上還有報警顯示圖標，雙擊可獲得報警統計信息。

4系統應用效果

某礦在礦井生產中存在監控體系不完善、穩定差等問題，對其改進設計并投入應用。結果表明：該監控系統性能穩定，且便于操作和維護，具有實時監測、無線通信等功能，報警系統靈敏，可監控礦井大部分區域，多次成功處理并避免了井下生產中的安全隱患。此外，該監控系統節省了大量電能，經濟效益顯著。

5結語

基于無線傳感器的安全監控系統具有較高的穩定性，可實現長時間無故障工作；具有全方位、多角度監控功能，可全面監控礦井的生產狀況；檢測精度高，可實時精確掌握礦井的工作狀態；體積小，便于安裝和維護；功耗低，節約了大量的電能。系統符合礦山的安全監控要求，具有較好的推廣價值。

參考文獻

[1]魏寧,尹洪勝,劉秀榮,等.基于無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監測系統的設計[J].工礦自動化,2010(1):70-73.

[2]蔣恒深,張曉光,丁平,等.基于無線傳感器網絡的煤礦井下水泵監控網絡結構研究[J].礦山機械,2010,38(5):61-62.

[3]劉紅霞,張建鋒.基于無線傳感器網絡的煤礦瓦斯預警系統設計研究[J].煤炭技術,2010,29(4):33-34.

[4]孫振偉,王春艷.基于無線傳感器網絡的礦用瓦斯監控系統[J].儀器儀表用戶,2010(2):17-19.

[5]邊晶.基于無線傳感器網絡的煤礦安全監控系統的研究[J].制造業自動化,2010,32(9):39-41.

[6]黃軍友.基于無線傳感器網絡的煤礦流量監測監控系統設計[J].煤礦機電,2009(1):17-19.

[7]景興鵬,王偉峰,黑磊,等.無線傳感器網絡在煤礦安全智能監控系統中的應用[J].煤炭技術,2009,28(4):93-95.

[8]鐘新躍,謝完成.無線傳感器網絡在煤礦環境監測中的應用[J].煤炭技術,2009,28(9)：102-103.

[9]李泉溪,孫君頂.基于無線傳感器網絡的煤礦報警系統節點的設計及實現[J].微計算機信息,2008,24(5):265-267.

(收稿日期2015-12-12)

楊濟溶(1989—),女,助理工程師,037041 山西省大同市。