基于藍牙技術的煤礦防爆監測系統

馮 暖

(沈陽工學院 信息與控制學院，遼寧 撫順 113122)

基于藍牙技術的煤礦防爆監測系統

馮 暖

(沈陽工學院 信息與控制學院，遼寧 撫順 113122)

為應對煤礦安全生產，提出了一種利用自動識別技術對煤礦瓦斯濃度進行防爆監測的系統。該系統井下監控終端節點由傳感器模塊采集信息經過A/D轉換等信號處理后單片機作為核心控制器，用藍牙通信模塊實現節點信息傳輸，替代傳統光纜、電力線纜，為固定的或移動的終端設備提供接入服務，最終實現實時礦井瓦斯監測的功能。該系統實時性好，數據傳輸速度快，數據傳輸可靠性高，同時節省大量有線電纜，降低了成本，提高了煤礦生產的安全性。

煤礦； 瓦斯濃度; 監控； 通信； 物聯網

0 引 言

煤礦安全監控系統是煤礦井下安全避險的重要系統之一[1]，在煤礦瓦斯防治、災害預警等方面發揮著重要的作用[2]。煤礦瓦斯是多重易燃易爆氣體，其主要成分是甲烷，當其與空氣混合的比例達到5%～16%[3]，遇到明火就有引發爆炸的危險。除了一般的井下巷道瓦斯濃度監測，還需要對類似采空區及人員難以到達的特殊區域進行監測，因此采用物聯網技術，利用藍牙技術聯通自動識別監測終端節點與井下接收站，通過局域網實現井下、井上數據傳輸，實現對煤礦瓦斯濃度的實時監測。

1 防爆監測系統總體設計

防爆監測系統為實現對煤礦瓦斯濃度的實時監測，設計了基于藍牙通信的多節點傳感器系統(見圖1)，井下監控終端節點由傳感器模塊采集信息經過A/D轉換等信號處理后單片機作為核心控制器，用藍牙通信模塊實現節點信息傳輸，無線數據接受分站通過局域網將井下瓦斯濃度信息經過防火墻，上傳給井上地面監控主機。實現無線數據接收分站將數據接入局域網，利用已有的局域網系統監測多個終端的瓦斯濃度數據，并從井下傳輸到地面遠程監控主機[4-6]。這種方式提高了系統的抗干擾性能，實現了多點實時監測。

圖1 防爆監測系統傳輸示意圖

2 系統硬件設計

井下監測作為防爆監測系統的核心其硬件部分選用STM32單片機作為核心處理器，主要由MCJ4/3.0催化燃燒型瓦斯傳感器[7-9]、信號處理模塊、藍牙無線收發模塊、電源模塊及顯示及報警模塊組成。

2.1 傳感器模塊

瓦斯傳感器MJC4/3.0L(MC112)是根據催化燃燒效應原理工作的，其特點是性能穩定、測量精度高、響應速度較快，適用于礦井現場對可燃性氣體進行濃度探測[10-13]。瓦斯傳感器由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比增大，補償元件起參比及溫濕度補償作用。當有瓦斯流過敏感元件時，引起火焰燃燒，釋放能量使元件溫度升高，從而反映被測瓦斯氣體的濃度[14-16]。

2.2 STM32及藍牙無線傳輸模塊

移動式瓦斯傳感器采集瓦斯信號，經過微弱信號放大電路、A/D轉換、數字濾波器后由STM32單片機存儲數據，利用藍牙無線傳輸模塊發送數據至無線數據接收分站。

STM32系列使用的是ARM公司所研發的Cortex-M3內核，其特點是既克服了16位單片機指令和性能的限制，又解決了32位處理器高成本、高功耗的缺點。

藍牙是一種短距無線通信技術。其傳輸距離一般為10 m，如果適當增加其發射功率，傳輸距離可達到近百m。工作于2.4 GHz開放頻段，在此頻段傳輸，將有效降低井下的傳輸損耗，同時具有穿透障礙物，具備點對點或點對多點的數據傳輸等優點，在礦井環境適合采用藍牙技術進行無線數據傳輸。

藍牙模塊采用BF10-I智能型的無線數據傳輸藍牙模塊，處理器采用STM32F103模塊，通過藍牙模塊的串口管腳UART_TX和UART_RX，發送AT指令實現全雙工串口通信，接口電路如圖2所示。

圖2 藍牙與STM32的連接圖

系統采用局部無線數據傳輸和局域網相結合的數據傳輸方式。單片機將瓦斯濃度數據通過藍牙模塊傳輸給無線數據接收分站，再通過局域網進行傳輸，實現地面主機實時的進行遠程瓦斯氣體濃度監測。

3 系統軟件設計

系統的工作流程是核心控制器STM32、藍牙模塊、傳感器模塊、串口、定時器初始化和中斷服務。系統運行過程中需要軟件進行信息的無線傳輸。系統流程如圖3所示。通電之后，藍牙模塊則自動連接形成串口透明，此時的數據傳輸是全雙向的。發送AT指令，設置監控終端串口連接的藍牙發送模塊與無線數據接受分站的藍牙接收模塊相同的波特率，并設置通信的主從模式。查詢設置模塊主從模式指令(見表1)。設置模塊工作模式，見表2。

圖3 主流程圖

表2 設置模塊工作模式指令表

4 結 語

根據煤礦安全領域的實際，提出了基于藍牙進行無線通信技術的礦井瓦斯監測系統，該系統能夠通過局域網向井上主機實時發送井下監測終端節點的信息，便于井上人員及時了解井下的安全狀況。當測量值超過警戒裝置閾值時，觸發報警裝置。該系統能夠實現礦井瓦斯監測的功能，實時性好，數據傳輸速度快，數據傳輸可靠性高，同時節省大量有線電纜，降低了成本，在實際礦井作業中具有應用和參考價值。

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Explosion-Protection Monitoring System Based on Bluetooth Technology in the Coal Mine

FENGNuan

(College of Information Technology, Shenyang Institute of Technology， Fushun 113122， Liaoning, China)

The rapid development of the Internet of things technology leads to the breakthrough in the field of coal mine safety monitoring with automatic identification technology. For production safety in coal mine, this paper puts forward an automatic identification technology for explosion-proof monitoring of coal mine gas concentration. The monitoring terminal nodes of the system collect downhole information by the sensor module, after A/D conversion signals are sent to single chip microcomputer to process. Bluetooth communication module is used to transmit information among nodes, as an alternative of traditional optical cable, power cable. Finally, the function of the mine gas monitoring is realized in real time. The system is with good real-time performance, fast data transmission speed, high reliability of data transmission. At the same time it saves a lot of cable, reduces the cost and improves the safety of coal mine production.

coal mine； gas density; monitoring； communication； the Internet of Things

2016-04-10

馮 暖(1981-)，女，遼寧錦州人，碩士，副教授，電子信息工程專業教研室主任，主要從事教學與科研工作。

Tel.：18641331553；E-mail：279901222@qq.com

TP 277

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1006-7167(2017)01-0290-03