基于物聯網礦井瓦斯動態監測與預警系統設計

晏 勇, 周相兵

(阿壩師范學院 a.物理與電子科學系； b.網絡管理中心，四川 汶川 623002)

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基于物聯網礦井瓦斯動態監測與預警系統設計

晏 勇a, 周相兵b

(阿壩師范學院 a.物理與電子科學系； b.網絡管理中心，四川 汶川 623002)

在礦井中布置瓦斯氣體傳感器與溫濕度傳感器感知環境狀況，建立無線傳感器網絡，嵌入式網關實時處理數據，地面監控中心監測礦井瓦斯濃度并預警。規劃設計了井下無線傳感器網絡，完成終端節點控制器CC2530軟硬件設計，協調器CC2530組網與無線數據封裝、解析算法設計，地面監控中心圖形化界面設計。經測試，達到了礦井瓦斯濃度監控的各項指標、無漏報，系統工作穩定，精度高，保障了煤礦安全生產。

無線傳感器網絡； 瓦斯監測預警； 嵌入式網關； CC2530； 圖形化界面

0 引 言

煤炭是支撐工業和國民經濟發展的重要能源，我國已探明可開采的煤炭儲量居世界第二，產量居世界第一，也是礦難頻發的國家之一，百萬噸煤死亡率較高，據統計2011-2013年我國煤礦發生安全生產事故遇難礦工分別為469、435、322人，煤炭行業安全生產事故逐年下降但總體形勢不容樂觀。目前煤礦安全生產主要威脅有瓦斯、透水、粉塵、火災、頂板等事故，其中瓦斯事故占80%以上，是煤礦頭號安全隱患，做好井下瓦斯監控與預警能有效降低礦難事故的發生。

據《煤礦安全規程》規定，凡有人作業的巷道及設備安裝地點附近20 m內，瓦斯濃度不超過1%，瓦斯濃度超1%不能開啟機電設備，人員迅速撤離，做好通風換氣工作；采掘工作面溫度不超過26 ℃，機電室溫度不超過30 ℃，超過規定溫度立即停工、撤離人員。

本文根據四川阿壩州礦井作業環境與條件，將智能化的物聯網技術與礦井瓦斯監控與預警相結合，在井下建立瓦斯動態無線傳感器網絡實時檢測礦井瓦斯含量，地面建立有線網絡實時監控瓦斯含量并預警，有效提高了礦井瓦斯濃度監控能力，降低礦難發生概率。

1 系統方案設計

1.1 系統方案

系統由井下瓦斯檢測與地面監控兩個部分組成，井下瓦斯檢測是系統的核心，由協調器節點建立無線傳感器網絡，終端節點組成物聯網感知層，通過ZigBee無線通信技術實時采集井下瓦斯濃度、人員信息、溫度信息并將采集數據傳送地面監控中心，井下部分包括井下瓦斯檢測、溫度檢測，人員定位[1]。物聯網應用層由地面監控中心組成，分析感知層采集的各種檢測與監控數據，實現煤礦事故預警功能[2]。網絡層是井下感知層與地面的數據交換中心，采用有線傳輸技術提高采集數據傳輸精度[3]，實現井下與地面數據雙向傳輸。井下電源使用礦用本質安全電源提高電源安全與穩定度，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

無線傳感器網絡有兩種地址即終端節點控制器CC2530為全球唯一硬件64 bitsMAC物理地址，網絡協調器分配的16 bits網絡識別號PANID，將每一名礦工配置一個CC2530終端節點,通過硬件MAC地址識別礦工位置與身份。終端節點采集瓦斯信號與溫濕度信號通過網絡協調器、嵌入式網關上行至控制中心,當超過設定閥值立即報警，實現礦井實時監控與預警[4]。

1.2 網絡拓撲結構

礦井網絡無線通信采用全球統一標準的近距離、低速率雙向無線通信技術ZigBee協議。ZigBee協議基于IEEE802.15.4協議[5]，工作在國際公共免費頻段2.4 GHz，數據最高傳送速率250 Kbps，最大可靠傳輸距離50 m。ZigBee網絡設備分為全功能設備FFD與半功能設備RFD，FFD設備可以作為網絡協調器負責網絡建立、維護與管理，FFD設備可與FFD設備通信也可與RFD設備通信，RFD作為終端節點設備，只能與FFD設備通信，RFD設備間數據不能通信[6]。

煤礦井下自然環境惡劣情況復雜，井下終端節點多,移動性強,礦井掘進長度與深度不同,終端節點數量不斷改變更新，數據靜態路由與動態路由并存，要求無線傳感器網絡規模大、復雜條件下自適應與自愈性強[7-8]。根據礦井環境與井下瓦斯監測的要求，系統無線傳感器網絡采用簇狀拓撲結構[9]。將礦井內的無線傳感器感知節點以自組織的形式組成為若干簇，每個簇選出簇首，實時收集、處理、整合本簇內傳感器采集的信息，簇以簇首為中心呈星形分布，每個簇首能檢測50 m內的節點。在無線傳感器網絡中設置智能匯聚節點，接收簇首處理整合后的數據信息并傳輸至系統網關，由網關上傳至地面監控中心發出安全預警信號，無線傳感器網絡拓撲結構見圖2。

圖2 無線傳感器網絡拓撲結構

2 硬件設計

2.1 終端傳感器節點設計

終端控制器采用德州儀器TI公司無線射頻器件CC2530，兼容ZigBee無線組網與數據傳輸協議，數據傳輸頻率2.4 GHz，內置資源豐富包含增強型8051內核、8 Kbytes SRAM、256Kbytes Flash、1個16 b定時器、3個8 b定時器、1個12 b AD轉換器、雙串口、1個看門狗等，操作使用方便[10-11]。

礦井瓦斯濃度檢測采用電調制非分光紅外NDIR氣體分析技術，當紅外光穿過待測氣體時，待測氣體分子對特定波長的紅外光具有一定吸收作用，并符合Lambert Beer吸收定律。終端節點瓦斯濃度檢測傳感器采用德國Smart Gas公司研發傳感器SM-MAL[12]。SM-MAL瓦斯傳感器采用雙光束非分光紅外線檢測技術，具有Modbus ASCII協議全數字量輸出精度高，抗其他氣體干擾、保養維護簡便使用壽命長、穩定性好、自帶溫度補償等優點，適用礦井瓦斯檢測等場合。SM-MAL采用三線SPI通信接口，SM-MAL傳感器CS引腳、SCLK引腳、SDIO引腳分別于終端控制器CC2530相連即可實現瓦斯數據采集。

瓦斯濃度檢測傳感器SM-MAL，瓦斯濃度測試精度與作業面溫度有很大關系，當作業面溫度為17～21 ℃時，誤差最小為0.05%，作業面溫度為21～25 ℃誤差較小為0.1%。數字溫濕度傳感器選用DHT11，采集溫濕度信號全數字量輸出，內部集成NTC原件與濕敏器件，14 B A/D轉換器，輸出數據自動校正，+(3～5)V電壓供電，溫度、濕度測試范圍分別為0～90 ℃、20%～90%，精度分別為±1 ℃、±1%。DHT11采用標準4腳排針封裝，DATA引腳與終端控制器CC2530I/O口連接，采用單線雙向通信模式實現溫濕度數據采集。終端節點硬件原理見圖3。

圖3 終端節點硬件原理圖

2.2 協調器設計

協調器是無線傳感器網絡核心主要完成網絡組網、維護、管理、數據傳輸、封裝與協議解析，協調器接收終端控制器終端節點數據上傳網關，接收網關控制信號下傳終端控制器，負責數據鏈路維護。協調器硬件電路與終端終端控制器基本相同，采用TI公司CC2530作為核心器件，完成組網與數據通信[13]。

2.3 網關設計

無線傳感器網絡網關是井下數據與地面數據傳輸與交換中心，終端節點采集感知數據通過網關上行至地面控制中心，控制數據通過網關下行終端節點。系統網關采用意法半導體公司基ARM Cortex-M3內核的32位增強型嵌入式系統處理器STM32F103ZET6，最高時鐘頻率72 MHz，512 KB Flash、64 KB SRAM，工作電源電壓+(2.0～3.6)V，最大工作電流36 mA。協調器CC2530與網關嵌入式系統STM32接口簡單，采用串口通信實現數據上行與下行。

3 軟件設計

3.1 終端節點控制器軟件設計

Z-Stack協議棧是德州儀器TI公司在國際互連OSI七層模型基礎上，開發的基于IEEE802.15.4無線數傳輸規范，協議規定了無線傳感器網絡軟件與硬件協同與調度，數據傳輸幀結構[14]。Z-Stack協議棧包含數據鏈路層、網絡層、應用層、安全服務層，終端控制器CC2530按Z-Stack協議棧數據幀結構封裝發送感知節點實時采集數據，協調器接收終端數據并解析，上傳至系統網關，由系統網關處理后發送控制命令，由協調器封裝下行至終端節點[15]。

3.2 協調器軟件設計

無線傳感器網絡中協調器負責無線傳感器網絡組建、管理、維護，允許其他節點加入與退出網絡。協調器上電后進行軟硬件與網絡初始化，判斷是否存在網絡，存在終端節點可以直接加入網絡，不存在網絡由協調器組建新網絡，通過信道能量掃面檢測當前空閑信道，判斷信道沖突與干擾，將當前空閑行到作為網絡通信信道。協調器建立網絡后為網絡分配一個16 b網絡地址并允許其他節點加入網絡，協調器默認網絡地址0X0000。網絡建立成功后執行任務輪詢操作，調用事務處理函數[16]，協調器組網流程如圖4。

圖4 協調器組網流程圖

無線傳感器網絡中協調器負責數據封裝與解析，發送方數據幀從高層到低層依次通過Z-Stack協議棧，通過協調器封裝與解析。Z-Stack協議棧運行采用時間片輪詢OSAL調度機制，包括系統啟動、軟硬件初始化、建立任務鏈表、比較任務優先級、調用任務處理函數，完成輪詢任務的處理[17-18]，OSAL輪詢調度流程如圖5。

圖5 OSAL輪詢調度流程圖

綁定指在無線傳感器網絡中，協調器與終端節點傳輸數據流向的監控體系，協調器與終端節點建立數據通信前首先應完成設備綁定。綁定分為兩種形式，一種已知目的地址綁定與未知目的地址綁定，礦井瓦斯檢測利用終端節點MAC地址，采用已知目的地址方式建立綁定。首先協調器接收終端設備綁定請求，協調器查詢終端設備是否解除上次綁定，終端設備應答上次綁定已解除，再次發送綁定請求，協調器響應綁定請求，建立綁定鏈表完成綁定[19]，其綁定流程見圖6。

4 測試結果

測試分為兩個部分，傳感器精度測試與無線傳感器網絡數據無線通信性能測試。將一個終端節點瓦斯傳感器與溫度傳感器同時放入溫度為23 ℃恒溫槽中并通入濃度為0%～1.5%的瓦斯氣體，利用Smart gas公司USB Modbus Smart Application-kit軟件通過PC機現場實時測試瓦斯氣體濃度，并通過EXCEL輸出，測試結果見表1。

圖6 協調器綁定流程圖

表1 本地瓦斯氣體濃度(23 ℃恒溫)

地面監控上位機采用LAB VIEW8.6圖形化語言設計，主要完成井下節點參數實時記錄與查詢，井下人員定位。將5個不同簇的終端節點放入瓦斯濃度為0.5%恒溫氣體槽，通過終端控制器、簇頭、協調器、網關、計算機硬件數據采集卡[20]，地面控制中心實時顯示瓦斯濃度如表2。

表2 地面控制中心實時顯示瓦斯濃度(瓦斯濃度恒定0.5%)

經過反復多次實驗測試結果表明，溫度為23 ℃瓦斯傳感器本地平均誤差為0.008%，遠程測試瓦斯濃度平均誤差為0.012%，溫度平均誤差為0.8 ℃，瓦斯濃度為1.2%超標報警1次，完全符合礦井操作技術指標與規范。

5 結 語

物聯網礦井瓦斯動態監測與預警系統，將物聯網技術、無線傳感器網絡技術運用于煤礦瓦斯檢測，提高煤礦安全技術等級，降低煤礦瓦斯爆炸事故的發生， 已運用于當地煤礦，實用價值極高。

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Dynamic Monitoring and Early Warning System of Mine Gas Based on the Internet of Things

YANYonga,ZHOUXiang-bingb

(a. The Department of Physical and Electronic Science; b. The Department of Network Management Center,Aba Teachers University, Wenchuan 623002, China)

Methane gas sensor arrangement with temperature and humidity sensors are assigned to perceive environmental conditions in the mine. The establishment of coordinators, wireless sensor networks are designed, and embedded gateway is designed to process data. The ground control center can real-timely monitor coal mine gas concentration and warn if it is out of order. The paper designs underground wireless sensor network system, completes software and hardware design for the terminal node controller CC2530, and also completes the CC2530 coordinator networking, wireless data encapsulation. and algorithm design. The graphical interface of ground control center is also designed. By testing, the indicators reache mine gas concentration monitoring, no omission, the system is stable, high precision, protect the coal mine production safety.

WSN; gas monitoring and early warning; embedded gateway; CC2530; graphical interface

2015-05-26

2014年四川省應用基礎項目(2014JY0005);2014年四川省科技廳項目(2014GZ0013)

晏 勇(1983-),男，四川郫縣人,碩士，講師，主要研究方向自動控制,無線傳感器網絡。

Tel.：18942827691;E-mail:yanyong12_@163.com

TP 273

A

1006-7167(2016)01-0093-04