基于無線網絡的礦井遠程安全監控系統設計 *

夏瑞凱

(晉能控股煤業集團和創實業發展有限公司，山西 大同 037003)

0 引 言

煤炭作為重要能源資源，其安全生產極為重要，為降低生產作業風險，需對生產流程精益控制，采用遠程安全監控系統是解決此問題的有效途徑[1]。煤炭井下環境復雜多變，加之空間狹小，傳統總線式電纜傳導信號的監控方式靈活程度低、拓展性能差、且發生故障查找困難，并有較大安全風險，極大的限制了其在煤礦井下等易燃易爆環境中的使用。筆者針對以上情況，通過對煤礦井下環境進行分析，得出線纜纏繞是當前主要癥結，為達到煤礦設備安全穩定運行[2-3]的目標，因此需要設計一種基于無線網絡的礦井遠程安全監控系統。

1 礦井安全監控系統目標和要求

為有效確保煤礦井下生產安全進行，監控系統需要對生產中涉及到的各種開關量、模擬量進行實時采集處理，并完成聲光報警和緊急處置功能。同時為確保煤礦井下環境安全可控，還需要對井下甲烷氣體、風速等重要參數進行監測。各個信號匯聚節點將上傳數據進行統一打包，并交由計算機處理。通過現場采集、無線傳輸和計算處理等三大技術結合，能有效掌握現場情況，做到實時監控、快速反應。相較于其他傳輸方式，ZigBee具有傳輸范圍遠、體積小、功耗小、易于組網等優勢，便于實現井下無線傳感網絡拓撲的快速調整，安全性和便捷性較好，因此使用ZigBee網絡。

2 監控系統整體方案設計

如圖1所示，礦井安全監控系統主要由地面和井下兩大部分組成，其中井下部分由安裝在各處的傳輸模塊、網絡協調器、CPU、視頻監控裝置和礦用路由器組成，完成系統參數和實時影像的采集，此外礦用電源也是本系統不可或缺的一部分。傳感模塊則由電源、CPU及ZigBee發送裝置CC2530芯片、甲烷傳感器、煙霧傳感器、風速傳感器等眾多傳感器組成。

甲烷傳感器采用GJC4型號，用于檢測煤礦井下瓦斯濃度，其具備自動報警功能，在采集其數據的同時可以實現井下環境的快速判斷；煙霧傳感器采用GQQ5型號，用于檢測因設備摩擦、絕緣老化等導致的煙霧等；風速傳感器采用GFY15型號，用于檢測回風巷口、風站、風機等關鍵部位的風速。除此之外，傳感模塊還可以鏈接溫度、水位等傳感器，支持0～5 V電平輸入、4～20 mA電流輸入、RS485等眾多制式信號輸入。

圖1 礦井遠程安全監控系統設計圖

如圖2所示，當眾多傳感器完成數據采集后，傳感模塊將相應數據進行打包處理，并通過ZigBee傳輸網絡，傳輸給井下數據匯集節點CPU，聯合井下設備狀態傳感信號、井下視頻裝置等，通過以太網模塊W5500，經過礦用路由器進入以太網，將數據傳到地面，由上位機實現數據篩選分析和視頻解碼播放功能。

3 遠程監控系統硬件電路設計

3.1 CPU選擇及以太網傳輸模塊選擇

為便于煤礦井下數據匯集節點快速處理，使用基于Cortex-M4內核的微控制器STM32F407，完成高速傳感數據和視頻數據處理，其組成模塊如圖2所示。

圖2 CPU內部組成及以太網傳輸模塊W5500

該處理器中，FSMC接口即靈活靜態存儲控制器，可以實現視頻數據的靈活快速處理；USART通信端口在對應外部接口電路的支持下，可以完成串口通信和RS485通信；GPIO數據輸入輸出接口，則可以完成數字信號采集和對應繼電器輸出；SPI同步通信端口可以進行以太網芯片控制，通過連接RJ45以太網通信端口，可以實現全部控制信息的高速以太網傳輸。本系統中的數據采用W5500芯片進行傳輸。

為提高以太網傳輸數據準確性，采用內部集成TCP/IP體系架構的ICMP等網絡協議的W5500芯片完成數據打包和硬件傳輸，其通過SPI接口與主控CPU完成控制信息和數據交互。需上傳數據時，主控CPU控制芯片完成IP配置和TCP協議初始化之后，建立TCP連接，并將待傳輸數據發送給W5500，完成數據封裝置后，經由主站設備傳遞給以太網。需要接收數據時，W5500在接收到地面傳輸的控制指令后，完成數據的解包處理，并傳遞給主控CPU，實現系統參數調整或緊急狀態處置。

3.2 無線網絡結構及ZigBee數據幀結構

目前常見的無線傳輸方式有WiFi、藍牙、ZigBee技術等，其中應用到無線傳感網絡的通信技術為ZigBee技術和超寬帶技術。超寬帶無線通信系統基本組成如圖3所示，主要由發射部分(調制器、脈沖發生器)、無線信道和接收部分(低噪放、RF濾波器、相關接收機)組成，當數據輸入后，經由調制器聯合載波脈沖將有用信號發射，經無線信道到達接收部分，實現解調、濾波和接收。

ZigBee技術協議由物理層、媒體訪問控制層、網絡/安全層、應用連接層、應用或組件層組成，其基礎為IEEE802.15.4，并由ZigBee聯盟開發安全層。眾多使用無線傳輸方式的傳感器構成了無線傳感器網絡，他們的基本功能是對其有效覆蓋范圍內的信息進行采集、打包、傳輸、處理，并進行匯總上傳。

4 軟件系統設計

4.1 傳感數據匯集節點工作流程

為實現煤礦井下數據快速傳輸、煤礦井下傳感數據匯集節點的數據處理流程至關重要，為便于進行數據處理，制定了如圖4所示的工作流程。系統開始后首先進行設備初始化，而后通過ZigBee端口獲取其協議器地址，進而獲取甲烷傳感器、風速傳感器、煙霧傳感器等眾多傳感器數據和當前設備啟停狀態數據，并進行判斷，當其超過報警閾值時，進行聲光報警和緊急處置。否則直接進行數據幀打包、獲取當前視頻數據，并完成以太網數據傳輸，從而實現地面系統的數據接收處置。

圖3 無線網絡結構及ZigBee技術協議組成

圖4 傳感數據匯集節點工作流程圖

4.2 監測系統顯示界面設計

為實現對煤礦井下系統運行狀態的持續監測和直觀顯示，并進行狀態預警等工作，利用上位機軟件，繪制實現如圖5所示的安全監控系統界面。

圖5 安全監控系統界面

全界面共分為功能菜單、監控畫面、數據曲線和當前狀態四大部分，其中功能菜單部分實現含有當前支路、系統時間、監控畫面等信息在內的數據保存功能、歷史數據查詢功能、采集周期及傳輸參數設置功能及后臺系統維護賬號登陸功能；數據曲線部分可以實現特定時間段、特定位置的風速和負荷曲線，以便直觀觀察數據變化情況；當前狀態部分可以實現井下環境、監控設備、生產設備、其他設備等的狀態判斷，共有正常狀態、告警狀態和報警狀態等3個狀態。通過功能菜單的設置按鈕可以在一定范圍內對以上各個狀態的閾值和變動范圍進行設置，以適應工作面推進情況，從而更直觀的掌握煤礦井下各個關鍵位置的狀態信息，做到全方位的監測。

5 應用效果

在完成系統設計的基礎上重點對其無線通信網絡性能和整體報警性能進行測試，在實驗室環境下完成藍牙數據發送裝置CC2530通信測試，采用點對點數據傳送，節點距離1 m，延時時間計算:確認幀傳輸方式、非標準CSMA/CA 算法測得測試的數據分4 組。每組數據發送節點定時發送數據幀，幀長從12 字節到127字節變化。從試驗數據來看，發送速度越快，幀越長，丟幀率也越高。無差錯的穩定傳輸最大速度分別為149 kbps、190 kbps、202 kbps、207 kbps。在不同的發送速率下，能穩定傳輸的幀長分別為22 字節、52 字節、87 字節和117 字節。數據傳輸延時最長為11.6 μs符合數據傳輸要求。在完成藍牙部分數據傳輸試驗的基礎上，通過對傳輸數據進行解碼得到相關報警數據準確，報警功能正常，繼電器等輸出裝置和信號工作正常。

6 結 語

在分析傳統線纜式安全監控系統不足的基礎上，利用傳感器技術、無線數據傳輸技術和計算機技術，完成無線網絡傳輸系統搭建。全系統以傳感數據匯集節點CPU STM32F407為核心，利用以太網將地面設備與井下設備聯合起來，在極大的提高了井下傳感器移動的靈活性的同時，增強了地面上位機的監控能力，實現井下參數實時統計，畫面實時可見，當井下出現異常狀態時，能實現自動報警和處置，極大的提高了異常時間處置速度，滿足了用戶對安全監控系統的要求。