關于煤礦井下作業環境安全監控系統的設計研究

劉光遠

（同煤集團晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

目前，我國已經非常重視煤礦開采安全問題，為避免出現瓦斯爆炸等安全事故，煤礦企業采取了一系列措施[1-2]。然而在實踐過程中，煤礦安全事故時有發生，尤其是瓦斯爆炸事故，嚴重威脅煤礦開采的可持續發展[3]。因此，應對煤礦井下作業環境進行實施監控，有效預防煤礦安全事故[4-5]。

1 礦井作業環境安全監控系統總體結構

如圖1 所示為礦井作業環境安全監控系統總體結構示意圖。從圖中可以看出安全監控系統由多個部分構成。以下對一些核心部分進行介紹。

地面監控中心主要是中央控制計算機，其作用是接收來自ZigBee 協調器的數據信息，對數據信息進行分析對比，檢查各項數據是否超過系統設定的指標。另外，還可以通過協調器向井下各裝置發送控制指令，實現對整個安全監控系統的有效控制。如果系統檢測到礦井作業環境存在危險，一方面會下達指令對聲光報警系統進行控制，以警示井下工作人員；另一方面還會下達控制指令對通風機系統進行控制，加大通風量。

圖1 礦井作業環境安全監控系統總體結構示意圖

ZigBee 網絡與地面監控中心之間需要通過協調地進行連接，井下部分采集得到的數據信息需要通過協調器傳輸到地面監控中心。地面監控中心下達的控制指令需要通過協調地傳達到井下各裝置中。路由器是整個網絡中的中繼節點，作用是對數據信息進行匯總并轉發，同時轉達至上而下的控制指令。終端設備主要是瓦斯濃度、溫度和濕度傳感器，對礦井內的環境參數進行實時監測，并將采集得到的數據信息通過網絡系統傳輸到地面監控中心中的控制計算機中進行分析和處理。終端設備還需要接受井上監控中心的控制指令，并按照控制指令完成各項動作。比如風機系統需要按照控制中心下達的指令提供對應的通風量。

2 安全監控系統硬件選型與設計

2.1 主要設備的硬件選型

1）控制器芯片選型。可供選擇的控制器芯片類型有很多種，在結合煤礦實際情況的基礎上最終選用由英國公司生產的JN5139 型號芯片，該型號芯片為32 位微處理器，具有優良的性能，整體功耗相對較低，可兼容多種傳輸模式。ROM 和RAM 的大小分別為192 kB 和8～96 kB，接口豐富，能夠與多種裝置進行連接。

2）溫濕度傳感器。選用的溫濕度傳感器由瑞士公司生產的型號為SHT11。規格尺寸很小，其長度、寬度和高度分別為7.5 mm、5 mm 和2.5 mm。能夠從整體上縮小終端設備的體積。傳感器在正式出廠前都要對其進行精確的校準，同時傳感器內部自帶有校準程序，在實際應用時可以直接調用程序對傳感器進行校準。因此在使用過程中具有相對較高的精度。

3）瓦斯傳感器。當前礦用瓦斯傳感器主要可以劃分成為兩種類型，分別為熱效式和熱導式，本系統在結合實際情況的基礎上選用的是熱效式瓦斯傳感器，傳感器中用到的催化元件型號為LXK-3。優勢在于使用壽命長、檢測進度高、結果穩定等。

2.2 終端節點進接口設計

如圖2 所示為終端節點總體結構示意圖，從圖中可以看出終端節點由多個部分構成。系統選用的JN5139 芯片具有豐富的接口，完全能夠滿足實際使用需要。以下主要對瓦斯濃度傳感器接口和溫濕度傳感器接口的設計情況進行簡要介紹。

圖2 終端節點總體結構示意圖

1）溫濕度傳感器接口設計。對于礦井環境而言，溫度和濕度是其中非常重要的參數，如圖3 所示為設計的溫濕度傳感器接口電路圖。傳感器檢測到的溫度和濕度信號為電壓模擬量信號，該信號經過放大器放大、A/D 轉換器轉換成為數字信號后，通過數據接口將數據信息傳輸到JN5139 微控制器中。可以在系統中設定溫度、濕度的上限和下限，當檢測結果不在設定的安全范圍內時，系統就會通過聲光報警系統進行報警，以提示工作人員。

圖3 溫濕度傳感器接口電路圖

2）瓦斯傳感器接口設計。瓦斯濃度檢測是本安全系統的關鍵和核心，因此必須確保檢測結果的準確性。傳感器檢測得到的同樣為電壓模擬量信號，為提升檢測結果的靈敏度，對檢測得到的電壓信號進行放大處理。放大器的芯片型號為TLV2780，具有放大過程穩定、精度高等優勢，可以滿足本系統使用需要。如圖4 所示為瓦斯傳感器接口電路結構示意圖。

3 安全監控系統軟件程序設計

3.1 協調器的軟件程序設計

圖4 瓦斯傳感器接口電路結構示意圖

在安全監控系統中，協調器起到橋梁的作用，實現井上部分和井下部分的連接。同時協調器也是整個傳輸網絡的管理者，需要對網絡中不同裝置分配網絡地址、對數據信息以及控制指令進行轉發等。

如圖5 所示為協調器的軟件程序工作流程圖。監控系統開始運行后，協調器首先需要進行初始化處理，對相關裝置參數進行歸零，檢測各裝置功能是否正常等。自檢正常后，整個網絡就開始正常運行。可以對網絡運行狀態進行監控，如果發現存在故障問題，就需要對其進行處理，以確保網絡的正常運行。當網絡中有新的終端節點加入時，協調器需要對其分配網絡節點地址，終端節點獲得網絡節點地址后才能加入到系統中參與運行。當終端節點采集得到的數據信息傳輸到協調器后，協調器就會將其轉發到地面監控中心進行處理。

圖5 協調器的軟件程序工作流程圖

3.2 終端節點軟件程序設計

終端節點的軟件程序主要包含兩部分內容，其一為網絡通信功能，主要實現終端節點與整個網絡系統的連接。其二為數據采集功能，主要是通過溫濕度傳感器和瓦斯濃度傳感器對礦井內的環境參數進行采集。與系統中的路由節點和協調器相比較而言，終端節點實現的網絡通信功能相對簡單，只需要確保終端節點能夠與網絡系統連接即可。配備在井下工作人員身上的移動終端采集節點和安裝在礦井內部不同區域的固定終端采集節點，會按照程序設定的周期對周圍環境中的環境參數進行采集，并將采集得到的結果通過ZigBee 無線網絡傳輸到協調器中。如下頁圖6 所示為溫濕度采集軟件程序流程圖。

4 結論

將煤礦溫度、濕度和瓦斯濃度安全監控系統佩戴在工作人員身上的移動終端和固定在煤礦不同區域的固定終端，能夠對整個礦井不同區域的環境參數進行實時監測，并將其傳輸到地面監控中心進行分析。系統一旦檢測到礦井環境存在危險，就會通過聲光報警系統提示工作人員，同時下達控制指令對通風系統進行控制。煤礦井下作業環境安全監控系統的應用能顯著提升礦井安全程度，避免出現瓦斯爆炸安全問題。

圖6 溫濕度采集軟件程序流程圖