基于物聯網的煤礦井下安全監控系統設計與應用研究

吳小文

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

隨著國家對煤礦行業的整頓與改革，煤礦井下安全問題的要求越來越高，必須引起高度重視[1-2]。煤礦井下安全事故發生時的第一要務就是搜救遇難礦工，但是煤礦井下環境條件較為惡劣，礦難出現之后的人員搜救工作極為困難，經常錯過礦工最佳的救援時間，導致更多悲劇的發生[3-5]。物聯網技術的發展，極大的推動了我國無線通訊技術在各行各業的應用，尤其是ZigBee技術，因其具有低能耗、低速率、低成本等優點，得到了各界人士的廣泛認可[6]。因此基于上述事實和技術，開發煤礦井下安全監控系統，實現礦工位置的實時監控，對于提高礦井事故的處理效率，保證礦工人身安全具有重要的意義。

1 監控系統設計要求

監控系統設計前需要充分考慮經濟性、實用性和可行性，新元煤礦提出的具體要求如下：①無線傳感信號要足夠強且運行穩定，具有很好的穿透性和抗干擾能力；②以太網通信具有足夠的帶寬和較快的傳輸速度，確保監控系統輸入數據的實時性和精準性；③井下工作人員隨身攜帶的位置傳感器具有超強的帶電能力和低能耗特點；④測量設備選擇時控制成本，盡量達到低成本即可滿足系統的精確度和穩定性；⑤監控系統具有很好的可擴展性，確保系統能夠進行升級改造，延長監控系統的使用壽命，實現利益的最大化；⑥監控系統具有很好的環境適應性和操作的靈活性，能夠根據井下實際情況進行針對性的分析和處理，為相關工作人員提供技術參考。

2 監控系統方案設計

新元煤礦井下安全監控系統方案如圖1所示，主要包括數據采集層、以以太網為主的數據傳輸層和頂層的數據處理監控層3部分。底層數據采集功能的實現主要是由各種傳感器、影像采集裝置等完成，如溫濕度傳感器、風速風壓傳感器、紅外攝像頭等，實現對煤礦井下現場環境及生產數據的實時采集。中間數據傳輸層的任務是完成井下采集實時數據的向上傳輸與反饋，主要通過工業以太網完成，各個移動節點的信息采集主要運用的是ZigBee技術。頂層數據處理監控層主要完成井下數據和視頻信息的處理計算，將實時監控數據進行顯示；同時，監控人員能夠根據監測數據變化趨勢對井下發出控制指令，實現井下作業實時監測與控制。

圖1 安全監控系統方案

該井下安全監控系統具有以下優勢：不僅能夠單獨布線實施，還能基于現有監控系統進行改造設計，此處采用后者完成安全監控系統的設置，不僅能夠提高井下作業環境的安全性，還能節約大量的成本投入。

3 監控系統設計

3.1 硬件設計

硬件設計作為井下監控系統的重要部分，改造設計過程中為了能夠滿足企業需求，在現有傳感器等硬件基礎之上重點開展了以下工作。

3.1.1 主控芯片

很多芯片都是存在2種集成方式的，其中之一是主控芯片與外圍電路不在一起，工程師可以自由配置；還有一種是主控芯片與其下級電路進行集成，減少電路空間需求，提高芯片的集成度，保證其具有很好的適應性。德州儀器生產的CC2530主控芯片下級電路是射頻收發模塊，為了更好的適應煤礦井下惡劣的工作環境，確定選用CC2530片上系統。CC2530主控芯片運行過程中功耗低，網絡節點多等優勢。主控芯片根據內存量不同可以劃分為以下 4種類型：CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、CC2530F256，此處選擇型號為CC2530F64的主控芯片，其自帶的Z-StackM能夠滿足無線傳輸網絡的連接需求，并且適應于ZigBee中3類不同節點的設計。

3.1.2 溫濕度傳感器

結合井下安全監控系統傳感器使用環境情況，選擇了型號為GWSD100的溫濕度傳感器，其組成包括溫度探頭和濕度探頭2部分，溫濕度探頭具有很好的靈敏度和監測范圍，能夠穩定可靠完成溫濕度信號的采集。采集的數據匯總到內部處理器系統，之后通過對溫濕度信號數據的分析處理，輸出溫濕度頻率信號和對應的電流信號，具有很好的兼容性。GWSD100工作原理框圖如圖2所示。

圖2 GWSD100工作原理框圖

3.1.3 瓦斯傳感器

瓦斯作為井下作業極為關鍵的監測因素，對于瓦斯傳感器要求較高，既要檢測靈敏可靠，又要具有很好的防爆性能，基于此選擇了型號為GJC4的瓦斯傳感器。該瓦斯傳感器采用的是嵌入式芯片，便于維護與控制，滿足瓦斯濃度實時監測的要求。GJC4型瓦斯傳感器主要由單片機、顯示器、聲光報警等組成，具有聲光報警、信息顯示、遠距離傳輸等功能，同時，具有斷電保護、數據信號輸出等功能，模塊化設計特點確保了后續安裝的便捷性。

3.2 節點模塊設計

3.2.1 移動定位節點

移動定位節點作為井下工作人員行動的位置指示，內部信息與對應工作人員的個人信息是一一對應的，要想時刻了解井下工作人員的具體位置，必須將其帶在身上。移動定位節點的系統框圖如圖3所示，包括CC2530主控芯片、電源、天線、傳感器等。CC2530主控芯片能夠收集井下工作人員的坐標信息并完成數據的處理，之后通過射頻天線將位置信息實時傳輸至井上監控中心基站，實現實時監測井下工作人員的目的。系統設計采用了明顯的模塊化思想，芯片左側預留擴展接口，傳感器也都是有各自的數據傳輸接口，便于系統的維護與擴展升級。

圖3 移動定位節點的系統框圖

3.2.2 參考定位節點

井下安全檢測系統中的參考定位節點與移動定位節點配合確定井下工作人員具體位置，實現井下工作人員的實時監測功能。參考定位節點井下布置需要以井下生產環境為依據，要求滿足定位精度和分布密度的要求。對于工作面巷道空間分布較為復雜、分支路口較多的情況，在布置參考定位節點時還要考慮無線信號的收發性能，以此確定最佳的參考定位節點布置位置。參考位置節點處通常設置各種監測傳感器，如粉塵傳感器、溫濕度傳感器、瓦斯傳感器等，其采集得到的實時監測數據經無線網絡傳輸至地面監控系統，實現井下工作環境的安全監測。參考定位節點系統框圖如圖4所示，參考定位節點的核心是CC2530，負責接收各類傳感器實時采集的信號，同時，配置電源模塊，為各類傳感器及報警模塊提供能量，各個參考定位節點位置信息唯一，對應著射頻芯片中的64位地址，基于此確定移動定位節點的具體位置。

圖4 參考定位節點系統框圖

3.2.3 協調器中心基站

協調器中心基站在井下安全監測系統起著管理、協調、維護和組織的作用，其系統框圖如圖5所示。協調器中心基站各部分相互獨立又相輔相成，中心節點既是建立無線網絡的基礎，也是無線網絡信息數據傳輸至數據處理模塊的紐帶；處理器模塊完成節點數據接收、分析和存儲的同時，還與主機進行通信；通信接口在將中心基站數據傳輸至井上監控系統的過程中需先經交換機處理，之后經以太網傳輸至井上監控系統。

圖5 協調器中心基站系統框圖

3.3 控制界面設計

井下安全監控系統的作用是對井下作業人員與環境進行監測，因此需要將井下實時監測數據進行顯示，供監控人員觀察。控制界面作為人機交互實現的窗口，其設計工作至關重要，既要求數據顯示全面，也要求操作簡單方便。圖6給出了井下安全監測系統主界面，直觀顯示了工作面內人員的實時位置，同時通過界面中的軟鍵可以實現界面的切換，很好的滿足了井下安全監控系統界面顯示與監控要求。

圖6 井下安全監控系統主界面

4 應用效果評價

為了驗證該井下安全監控系統的設計效果，對其運行過程進行了為期半年的跟蹤記錄，應用結果表明，系統工作穩定可靠，能夠滿足井下工作面內工作人員及運行環境的監控要求。相較于安全監控系統改進之前，井下設備安全維護費用投入降低近20%，因安全事故導致停工作面產停工的時間降低近15%，提高了井下采煤設備的利用率，預計礦難發生時人員搜救的時間會降低近40%，取得了很好的應用效果。

5 結論

煤礦井下安全問題與工作人員的生命安全及企業的經濟效益息息相關，必須引起高度重視。針對礦難發生時人員搜救困難的問題，開展了基于物聯網技術的井下安全監控系統的改造設計工作。應用結果表明，系統工作穩定可靠，滿足井下工作人員及運行環境的監控要求。