高可靠性煤礦井下火源無線預警監測系統

鄧慧芳， 謝 銳， 孫傳猛， 趙 庚， 王海霞

(1. 中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051; 2. 中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051; 3. 中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

井下火情監測是井下安全作業不可或缺的一個環節。在煤炭開采過程中，隨著開采深度、強度的加大，煤自燃隱蔽區域范圍不斷擴大，給井下作業帶來極大的安全隱患。目前國內外煤自燃發火普遍應用的預測預報方法有自燃傾向性測試法、實驗法、統計類比法、氣體分析法和測溫法等。近幾年來，我國在煤自燃機理和監測預警技術方面取得了大批的技術突破，表現為更先進的自燃特性試驗分析手段；多源信息融合模型應用于預警系統；光纖檢測、光纖通信、無線通信等成為優化監測預警系統性能的發展方向[1-3]。由于不同煤礦存在媒質差異，加上煤炭自燃隱蔽區域范圍大、距離遠，隱蔽性高、著火點分散，使得利用自燃傾向性測試法、實驗法、統計類比法、氣體分析法不能準確地鎖定煤自燃隱蔽區待著火點的位置，只能夠作為鎖定火源的一種輔助手段[4-8]。測溫法是最直觀和有效的煤自燃發火預報方法，理論上可以精準地實現火源預警監控，但它對傳感器以及監測數據的可靠性要求非常高，而且必須能夠保證進行大范圍的監測覆蓋。

隨著現代技術的發展，對煤礦井下火情監測技術提出了更高的要求。無線自組網測溫技術是一種大規模組網監測的技術，可以方便地在煤發火之前準確鎖定火源，對減小礦井事故與提高井下作業安全均有重要作用。現有的無線自組網測溫一般采用ZigBee傳輸協議，但這種協議傳輸數據率低、距離短，不能實現大范圍、高密度的覆蓋。針對這一現狀，本系統采用基于WaveMesh的移動自組網協議，實現多徑路由無線自組網測溫，采用光纖冗余環網進行通信，對煤自燃隱蔽區域的溫度場進行連續無間斷的預警監控。在此基礎上，能夠變換測溫單元拓撲結構，實現高密度、大范圍的火源監測任務。

1 系統原理

1.1 系統功能

高可靠性煤礦井下火源無線預警監測系統在井下煤自燃隱蔽區域布置測溫電纜，以STM32單片機為其控制核心，將數據傳送至無線通信模塊，上位機軟件動態監測并進行溫度超限報警，主要實現以下3方面功能：

1）預警監測功能。根據測溫單元的傳送數據，做閾值比對；在煤炭發火之前鎖定待著火點、火源，對煤自燃隱蔽區域進行連續無間斷的預警監控。

2）存儲及顯示功能。能夠存儲測溫單元溫度、位置、覆蓋范圍等狀態信息并通過上位機實時顯示。

3）高密度、大范圍組網。能夠方便地實現對煤自燃隱蔽區域大面積的自動化實時在線監控，通過WaveMesh無線傳輸提高數據傳輸質量和效率，確保數據傳輸的穩定性和可靠性。

1.2 系統結構及工作原理

高可靠性煤礦井下火源無線預警監測系統包括測溫單元、傳輸模塊、控制器模塊、通信模塊和監測終端等，如圖1所示。系統結構劃分為3層：感知層、網絡層和應用層。感知層通過測溫單元覆蓋監測節點獲取環境中的溫度信息，并經控制器傳送至通信模塊；網絡層通過RS485總線與網線，兼或由WIFI模塊，接收通信模塊信號，與環網交換機相連，并將信號上傳至地面的監測終端；應用層通過接收底層傳來的溫度信息對煤自燃隱蔽區域火源狀態進行在線連續監控，對溫度拓撲異常區域進行定位和預警。系統在井下煤自燃隱蔽區域布置感溫電纜，通過射頻模塊對多個測點溫度信息進行同步采集，以STM32單片機為其控制核心，將數據傳送至無線通信模塊，上位機軟件動態監測并進行火源溫度超限報警。

圖1 系統結構圖

對應模塊的硬件實現如下：由DS18B20溫度傳感器置于SCA1000型電纜上，進行雙層環氧密封和多層防護封裝，外層用不銹鋼保護密封的感溫電纜作為測溫單元；由SX1276射頻模塊組成的傳輸模塊一端與測溫單元相連，一端與控制器相連；由STM32單片機作為控制器的主控芯片一端連接射頻模塊，一端連接WIFI模塊，一端連接RS485模塊及接口模塊；由WIFI模塊、RS485模塊及接口模塊組成的通信模塊向外與環網交換機相連；其中，接口模塊選擇W1500以太網接口芯片，配備網線接口，經RS485總線連接至STM32單片機。

系統以可靠性、健壯性和易移植性為設計原則，工作時測溫單元的感溫電纜通過無線自組多跳網絡，將布置在其上多個不同節點的DS18B20溫度傳感器測量數據由天線發送給SX1276射頻模塊。無線自組多跳網絡傳輸數據時，根據節點路徑選擇算法選擇傳輸的最佳路徑，并由SX1276射頻模塊和天線組成的傳輸模塊將數據發送給STM32單片機控制器。STM32單片機將測點編號及對應的SX1276射頻模塊傳感器數據發送至上層通信模塊，再經由礦用光纖交換機組成的光纖冗余環網將數據傳輸至上位機監測終端。

2 可靠性處理

高可靠性煤礦井下火源無線預警監測系統作為煤礦井下火情監測防預的重要組成部分，承擔著對井下煤自燃隱蔽區域火源監測的重要任務，密切關系著井下作業人員的人生安危，其可靠性成為首要考慮因素。針對煤礦井下惡劣的工作環境，硬件進行抗干擾和防爆處理，并采用硬軟件冗余的設計方式，以保證系統能夠高可靠、持續地工作。

2.1 硬件抗干擾和防爆

針對硬件抗干擾和防爆進行的舉措有：在盡量縮短元器件間距的基礎上，大幅度引入故障保護電路；模塊化設計，多電源用光耦隔離去除共模電壓，并接入去耦電容抑制電源干擾；測溫電纜三芯屏蔽，接口芯片選用抗靜電型，模塊外部罩有不銹鋼外殼和塑料蓋板，系統各模塊不銹鋼外殼板均按國家防爆標準設計，能夠將模塊內電子器件電信號與外界氣液體隔離開來。隔爆外殼具有高強度特點，既能抵抗外殼內部爆炸的沖擊壓力，也能隔離外部爆炸沖擊。本文設計的系統具有防塵防腐蝕、抗壓耐溫、防電磁干擾和防爆性能。

2.2 冗余結構

在數據傳輸上，采用無線自組多跳網絡及WaveMesh移動自組網協議，結構如圖2所示。測溫單元通過射頻模塊相互通信，可以相互進行相鄰測點間數據的收發，每個測溫節點通過射頻模塊可以轉發相鄰節點的數據，這種機制大大減小了漏測、失測概率。根據測溫節點網絡拓撲結構，選擇最佳路徑進行傳輸，射頻模塊發出載波信號進行隨機延時，并在程序上設置避讓機制，防止通信時因節點間爭搶信道產生數據丟包。利用光纖冗余環網傳輸數據，當冗余環網中某一點的光纜因不可預測因素斷開時，通信立即自動轉為總線方式通信，保證系統正常運作。

圖2 網絡拓撲結構

3 傳輸算法

3.1 節點路徑選擇算法

WaveMesh是一種多徑路由協議，允許多路徑并行傳遞數據流，支持動態網絡拓撲結構。本系統采用基于WaveMesh的移動自組網協議，實現多徑路由無線自組網測溫，依據相應的節點路徑選擇算法，自組選擇最佳傳輸路徑。對應的節點路徑選擇算法依據盡可能減小參與數據傳輸的節點數設計：

1）根據節點的地理信息和通信半徑進行分簇，每個簇任一節點可以代替其他節點成為簇頭發送數據，相鄰兩個簇間節點間可以直接通信。每個簇選出一個代表完成整個簇內節點的數據發送。

2）網絡初始化時，所有節點處于準備狀態，并啟動定時器將競爭簇頭時間T1設置為隨機值。當定時器超時，該節點發出廣播聲明進入活動狀態；當節點在定時器計數未滿時，收到來自其他節點的活動狀態信息則自動進入睡眠狀態。處于活動狀態的簇頭設置自己的活動時間T2，直至超時，之后重復節點競爭簇頭操作，做周期性的活動。

3.2 簇的劃分

測溫單元通過射頻模塊相互通信，可相互進行相鄰測點間數據的收發，記d(u,v)為節點u到 節點v的距離，id(u)為節點u的 ID位置，ω(u,v)為節點u和節點v構成邊的權重函數，ru表示節點u的通信半徑。根據鄰近圖理論[9-11]：

任選節點u和 節點v滿足在ru范圍內成一個簇，節點a是 除節點u和 節點v外滿足ru條件的其他節點，計算節點a是 否滿足ω(u,a)<ω(u,v)和ω(a,v)<ω(u,v)，如果條件滿足，則將節點a加 入節點u和節點v所在的簇中。

4 測試及試驗結果

4.1 最大通信距離測試

將無線網關固定，選取井下工作面一觀察節點。移動觀察節點的位置，改變節點與網關間距離，測得其實時溫度數據見表1（每個觀察節點位置實時連續測4組溫度數據）。從表中數據可以看出，無線傳感網絡最大通信距離為37 m。

表1 工作面不同距離下的溫度監測信息對比

4.2 火源監測功能測試

采用溫度閾值比對方式監測各節點異常狀態，將測溫電纜埋入井下采空區，緊靠巷道底板和外煤壁。選取一觀察節點，設置不同的溫度閾值（預警值），如表2所示。測試實驗表明，一旦節點溫度超過設定的溫度閾值，上位機發出警示并發出警報聲。更換觀察節點，多次設置不同預警值，進行系統火源異常報警測試。多次測試表明，本系統能夠根據設定閾值做出精確預警，并給出超出閾值節點（異常節點）的溫度和位置信息。

表2 觀察節點設置不同閾值監測記錄

將測溫電纜埋入井下采空區，緊靠巷道底板和外煤壁，系統在井下測試運行20 d，運行正常，依次選取5個節點（隔12 h記錄一次溫度變化）的10組溫度監測數據，不同節點溫度變化曲線如圖3所示。可以看出，各節點的溫度變化呈持續上升的趨勢。系統在井下對煤自燃隱蔽區域進行連續無間斷的預警監控，能夠高可靠、持續地工作。

圖3 不同節點溫度變化曲線

5 結束語

高可靠性煤礦井下火源無線預警監測系統采用無線自組網技術，WaveMesh多徑路由協議，組成多跳網絡在不同路由間自由切換，能夠充分利用無線信號的冗余性。在硬件上有針對性地進行了抗干擾和防爆處理，有效地提高了整個系統井下監測工作的可靠性和安全性。經試驗表明，該系統能夠滿足煤礦井下火源大范圍監測的要求，應用WaveMesh能夠形成高密度的監控網絡，網絡可裁剪性、自愈性好。

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