基于信息融合與ZigBee技術的礦井安全監測系統設計

楊 軻

（中煤集團安全監察管理部， 北京 100120）

引言

隨著我國經濟的高速發展，對煤炭的需求日益增長，促使煤礦生產對供電系統、用電設備井下危險環境監測提出了更高的要求。礦區現有的環境監控系統要達到安全可靠的平穩實時監控，就要實時采集井下環境的氣體成分含量信息、問題信息、濕度信息、氣壓等關鍵信息，將這些信息進行處理匯總融合，然后發送給中央處理系統進行分析處理，給出決策。同時，井下安全監測系統的關鍵是井下標志信息的采集，目前，大多數井下安全監測系統還是采用傳統的網絡傳輸線的方式，采集傳感器與傳輸系統需要進行物理連接，很不便捷，對于移動物體基本無法實現監控。ZigBee技術是一種無線電子標簽的技術，他能夠通過無線通信的方式，將傳感器的采集值傳給處理單元，通過軟硬件電路進行解碼處理，監控井下環境安全。并在發生故障時及時報警，迅速、準確地切除故障設備，避免事故擴大和引發其他事故。

1 系統總體方案

礦井下安全監測系統（見圖1）主要由井下網絡中繼部分、ZigBee電子標簽、傳感器路由節點組成。所有位于傳感器節點的電子標簽通過路由器聯網后，再通過智能數字通信接口PCI接口卡、CAN-USB接口卡、或者CAN Ethernet接口卡完成采集結果傳輸[1-3]。

環境監測無線傳感器與ZigBee電子標簽共同作為ZigBee終端采集設備。一般井下需要采集的信息有瓦斯（甲烷）體積分數、CO體積分數、溫度、濕度、粉塵質量濃度、風速、水位、滲水水壓、位移、應力和負壓等,通過監測這些井下的物理環境參數是否在合理的范圍之內來判斷井下的環境是否符合安全生產的基本要求，將上述信息進行融合分析的過程可以采用信息融合的方法進行。

井下的各個區域布置的路由器作為整個井下監控網絡的參考點，有這些路由器節點就可以建立整個井下監控系統的坐標系,這樣就可以實現具體位置的信息標定與定位。同時，這些路由節點的位置可以通過上位機進行初始化。這些移動ZigBee電子標簽的位置信息通過路由器節點傳至ZigBee協調器，以實現對井下機電設備和環境參數的實時具體監控。

圖1 井下安全監測系統總體示意圖

2 井下安全監測系統硬件電路設計

如下頁圖2所示，根據井下安全監測系統的總體設計方案和不同的監控區域及功能模塊，井下安全監測系統的硬件主要由微處理器、無線網絡通信模塊、井下繼電器驅動控制電路、對講功能電路、電源模塊電路等組成。

硬件電路的處理器部分采用嵌入式微處理器。包括RAM，EPROM運行存儲模塊，無線通信接口與有線通信總線網絡CAN總線接口部分。通過井下所有ZigBee電子標簽與參考路由節點的協同作用，實現井下復雜環境參數的采集處理與傳輸，實現這些功能的前提是需要穩定可靠的監控檢測電路和、人機對話功能，包括按鍵和液晶顯示器。

圖2 系統硬件電路設計

井下的環境參量通過CAN總線傳出，井上監控中心通過上位機可以清楚地監控井下每臺設備狀態信息,及時發現異常狀態與設備，做到提前預警，避免井下重大危險事故的發生。

3 井下安全監測系統軟件設計

系統軟件檢測流程如圖3所示，首先進行系統上電，對通信端口進行初始化，然后檢測有無事件發生，再通過協調器進行串口事件處理，與人機交互通信后作出循環判斷，實時監控整個安全系統[4-5]。

圖3 軟件系統設計

4 功能測試與驗證

完成整個總體方案的搭建、硬件電路設計、軟件系統設計后需要對整個系統的功能進行測試，為了驗證和ZigBee無線傳感器組成的井下安全監測系統的功能滿足預設的要求，需要將系統的主要功能進行聯調，如USB通信硬件軟硬件，智能氣體傳感器設備和整個安全監控的測試環境兼容性。

將USB連接計算機，并通過USB通過上位機進行CAN總線信號連接與傳輸，隨后井下安全監測網絡與整個無線傳感器網絡進行組網建立通信。

當井下環境的某一參數發生變化時，通過傳感器向附近的路由器發送參數變化信息，路由器通過CAN總線網絡發給微處理器，微處理器通過比對分析給出結果，顯示在控制面板上以供用戶使用。通過仿真測試環境參數設置初始化，井下安全監測網絡通過CAN總線與上位機通信,井下氣體傳感器數據通過分布在不同位置ZigBee電子標簽進行數據發送。

智能氣體傳感器節點的主要功能是測量驗證井下指定位置的氣體濃度值。發給微處理器并且判斷是否超出標準，如果超出標準隨機發出報警信息，并且予以顯示。經測試，井下安全監測系統可以平穩安全運行，系統的基本功能能夠實現，繼電器等設備和傳感器節點采集功能正常實現，能夠達到設計要求。如圖4為上位機端實時監測井下環境參數的顯示畫面，功能采集正常[6-8]。

圖4 井下安全監測系統顯示界面

5 結語

復雜環境是煤炭井下工作環境的顯著特征之一，這就使得井下的各種機電設備和傳輸電纜的布置與后期的檢修非常麻煩，采用ZigBee技術的井下安全監測系統可以不受制于線纜和設備的位置，為監測系統設計帶來便捷性。同時，隨著電子技術和通信技術的不斷進步和發展，對井下各種環境參數檢測應用無線傳輸的方式也是未來的趨勢。

煤炭井下空間比較有限，這種特點恰好符合ZigBee通信距離短的特點。因此井下環境監測組網，可以使用基于ZigBee的無線線通信方式，如果配合多個中繼單元同步使用，完全可以覆蓋整個礦井井下環境監控區域。