基于無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監測系統

陳代偉，王 雷，孟凡猛，錢正峰

(1.鎮江中煤電子有限公司，江蘇 鎮江 212016；2.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引 言

煤炭行業在我國具有非常重要的地位。近年來，隨著我國工業水平的進步，煤炭需求量不斷增加，使得煤礦事故出現的概率增大，特別是瓦斯爆炸，已經嚴重威脅工作人員的生命安全。過去采用的監測系統，通常是使用有線技術對煤礦信息進行傳送。傳送期間要利用A/D轉換器，監測過程中需要經過很多環節，且很難確保監測的準確性，大大增加了煤礦開采的成本。采用無線網絡技術監控瓦斯，能夠加強瓦斯監測的準確度，減少監測成本，提高煤礦開采的效率。

1 無線傳感器網絡煤礦瓦斯監測系統的介紹

1.1 監測系統的組成

傳感器、分站和執行器是監控系統的重要組成部分。傳感器能夠對數據進行測量；分站采集和轉換數據，然后通過光纖以太環網傳輸到地面中心站；執行器通過分站收集到的數據和地面中心站下發的命令，控制井下設備[1]。

1.2 監測系統的優點

過去采用的煤礦瓦斯監測系統屬于有線模式，在收集和傳輸數據時，要在煤礦上安裝數據傳輸線路。但是，煤礦井下本身的空間十分狹小，如果安裝線路會進一步縮小空間，影響煤炭開采工具的運用[2]。此外，需要經常改變煤礦井下的結構，極有可能造成一些線路的破壞，從而影響整個線路的監控工作。同有線檢測系統相比，無線監測系統的優勢主要有：第一，無線監測系統的傳感器不大，能夠更好地應用于大型煤礦設備；第二，傳感器網絡節點分布在整個煤礦中，可以采取高密度監測，加強煤礦監測的精準性，從而加強煤礦開采和生產的安全性；第三，無線監控網絡的智能化，能夠使監測數據合理處理和儲存，并且能夠根據環境的實際情況采取調整；第四，無線監控系統的能量主要來源于電池，能夠防止因為斷電造成監測系統不能正常工作的情況，從而提高監測系統的工作效率。

2 無線傳感器網絡煤礦瓦斯監測系統使用的意義

煤炭作為我國能源的主要構成部分，其開采力度極為關鍵，開采期間也極有可能出現安全問題。瓦斯爆炸是發生概率最高的事故。若想降低瓦斯爆炸出現的概率，降低其造成危害，相關工作者必須制定出有效的措施。

無線傳感器網絡煤礦瓦斯檢測系統的運用，一定程度上加強了煤礦生產的安全性，有效減少了瓦斯爆炸出現的概率。監測系統所需部件的價格比較合適，且質量很好，能夠有效運用到煤礦生產工作中，從而提高煤礦生產的工作效率和安全性。因此，在今后的工作中，工作人員一定要重視對無線傳感器網絡煤礦瓦斯檢測系統的運用和研究[3]。

3 系統實施方案

想要對瓦斯氣體濃度采取有效監測，在開采期間避免瓦斯爆炸情況的發生，需要將無線傳感器網絡融入煤礦瓦斯濃度監測系統，并設立兩種節點：一是固定分布在礦井里的節點，主要采集礦井里瓦斯氣體濃度數據，然后將其傳輸給監控中心，并在瓦斯濃度過高時，能夠第一時間報警；二是礦工所佩帶的移動節點，能夠隨時監測瓦斯濃度，從而有效防止瓦斯爆炸事件的發生[4]。

3.1 傳感器節點硬件設計

瓦斯傳感器、微控制器、電源模塊、無線通信模塊以及電池供電等，是瓦斯濃度監測無線傳感器網絡節點的重要組成部分。

3.1.1 瓦斯傳感器

在收集瓦斯氣體濃度數據時，會使用到瓦斯傳感器。在礦井里使用紅外瓦斯傳感器檢測瓦斯濃度，再使用電壓信號代表濃度數據，對標準電壓采取分差計算后，把全部獲得的電壓差傳輸到控制部分。

CH217芯片能夠在瓦斯濃度過量的情況下立刻報警，然后把數據傳輸進微控制器。此芯片具有兩個報警通道，能夠發送預報和危險兩項報警信號。

3.1.2 微控制器

單片機和周圍電路是微控制器的主要組成部分。單片機從串行通信口接收程序，然后處理瓦斯傳感器和無線收發的數據，同時掌控無線接收。通常，人們青睞于使用ATmegal128L單片機。和過去采用的處理器相比，它能夠很大程度地減少對PC機結構上的依賴，有效加強監測系統的運行能力。同時，衛星處理器能夠加強監測水平，降低能量消耗，對提高生產效率和安全性具有良好效果。微處理器具有的閃存程序和其他程序能夠有效融合，因此生產價格適中，有效降低了監測系統的生產成本。

3.1.3 電源模塊

系統要有效運行，離不開本安電源。因此，在無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監測系統運行過程中，電源模塊的主要作用是給系統的所有節點傳送電能，通過在監測系統中對節點能量消耗的實際情況來看，最好選用PAM2400穩壓芯片。系統運行期間，系統電壓保持在3～3.3 V。此芯片能夠在很多環境條件下運行，不會耗費太多能源，能夠有效降低監測系統的能耗。

3.1.4 無線通信模塊

此模塊的主要作用是接收和互換各個節點的數據，但是要耗費很多能量。根據這種情況，可以選用nRF2401的單射頻收發芯片，在2.4～2.5 GHz ISM的頻段運行。此外，它還有頻率合成器、功率放大器等模塊，輸出功率能夠利用相應的程序來搭配，不會耗費太多能量。

3.1.5 電池供電

當傳感器的本安供電被斷開后，傳感器就依靠自身的鋰電池供電。鋰電池采用5 V、5 Ah的規格，持續工作可達48 h以上。

3.2 傳感器節點的軟件設計

3.2.1 節點的通信設計

傳感器的作用是收集井下的瓦斯濃度，然后把數據傳輸到井下分站，再把井下分站獲取的數據傳入井上主站。此外，它能夠傳輸調度信號。

節點要先進行初始化才進入采集數據周期。一個周期結束后，它能夠對系統傳送數據請求，在獲得回應的情況下傳輸數據，完成后再返回。

3.2.2 監控設計軟件

監控軟件是在Netbean中的Java語言下設計的，包含對數據、圖像、傳感器報警值等方面的設置，且要和局域網銜接，能夠達到數據共享的目標。

3.2.3 ZigBee路由協議

在無線傳感器網絡的煤礦安全綜合監控系統設計過程中，通常采用按需距離矢量路由。它只保持需要的路由。節點只需要對下一跳進行記錄，不需要像源節點路由對整體進行記錄。它可以對網絡的所有移動節點動態地創建逐跳路由。

如果目的節點獲取到了相關數據，那么源節點回復路由要順著創建的反向路由往源節點輸送。反之，要利用路由請求分組(RREQ)的信息更新路由表，在路由表里增設一個路由條目，然后利用附近的節點傳播RREQ。如果節源點獲取了RREP，就能夠發送數據包轉給目的節點。

3.2.4 兩類節點通信

移動節點的作用是把收集的數據利用無線信道進行發送。固定節點的作用是能夠建立無線網絡，并對網絡中的另一些節點屬性進行設置，收集無線信道中的節點數據，然后傳送到上位機。移動節點會按時往固定節點傳輸請求信號，如果收到信號，要對兩模塊進行銜接。此時，移動點會把收集的數據傳輸進固定節點。

3.2.5 節點軟件工作流程

若要降低功耗，無線傳感器節點最好使用喚醒和休眠的工作機制。如果沒有事件出現，節點會保持休眠，處理器會停止運行，無線模塊也會處于待接收狀態。收到匯聚點時，節點會獲取鄰節點進行工作，等工作結束后，再次進行休眠[5]。

4 結 論

為了加強煤礦開采的安全性，防止瓦斯爆炸等安全事故的發生，本文提出了采用無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監測系統。為了更好地運用此系統，需要合理設計其傳感器節點的硬件和軟件，使其充分體現基于無線傳感器網絡煤礦瓦斯監測系統的價值。