基于無線通信的瓦斯監控報警系統設計

徐榮麗，張云頌，劉昌寧

(江蘇農林職業技術學院，江蘇 句容 212400)

0 引言

在礦井開采過程中，瓦斯事故的出現不僅威脅到工作人員的人身安全，還給礦產開采工作的推進造成了嚴重的阻礙。為切實降低瓦斯事故的出現概率，本研究以無線通信技術為基礎，構建了更為靈敏高效的無線監控報警系統，對礦井內瓦斯濃度進行實時監控，能夠有效保障煤礦開采工作的安全[1]。

1 瓦斯監控報警系統發展概述

1.1 瓦斯報警系統應用現狀

在當前的煤礦開采工作中，瓦斯監控報警系統的應用在改善我國礦井開采安全狀況、保障人員人身安全等方面發揮了極為重要的作用。早在2007年，為了降低瓦斯事故出現的可能性，國家就要求所有的煤礦礦井都要在開采前安裝瓦斯監控系統，這一情況的出現給我國瓦斯報警系統的發展提供了有效的支持。但對我國煤礦瓦斯監控報警系統的具體應用情況調查分析后可以發現，雖然國有煤礦中超過5 200處的礦井安裝了瓦斯監控設備，但大部分瓦斯監控設備已經較為老舊，存在維護不善、帶傷運行等問題；而私有煤礦中瓦斯監控報警系統的安裝率不超過50%，這給煤炭資源的安全開采帶來了極大的隱患。近年來，隨著人們對煤礦開采安全問題關注，煤礦瓦斯監控報警系統迎來了新一輪的更新換代與安裝。

1.2 瓦斯監控報警系統存在的不足

對當前部分煤礦應用的瓦斯監控報警系統進行研究分析后可以發現，報警系統缺乏統一的通信協議、各安全系統處于相對封閉的狀態、系統間的數據信息無法實現有效共享、系統未能實現更高級別的聯網，無法實現對礦井內瓦斯濃度的實時監控，降低了瓦斯監控報警系統的應用安全性與可靠性。具體來說，當前大部分瓦斯監控報警系統的生產廠家所用的通信協議多為自身專屬，市面上不同廠家的瓦斯監控報警系統很難實現通信協議的兼容，這增大了礦井內各類報警系統信息交流的難度。

1.3 瓦斯異常變化規律分析

在瓦斯事故出現前，礦井內往往會存在時間相對較長的瓦斯異常變化，并且瓦斯異常這一情況大多出現在礦井工作面掘進、采煤作業等環節當中。在當前的煤礦開采過程中，如果工作人員能夠在瓦斯異常初期就了解到這一情況，并及時應用合適的處理方式對瓦斯異常變化進程加以管控，就能夠切實降低瓦斯事故出現的可能性。但筆者對傳統的礦井安全管控系統進行分析后發現，大部分礦井管理人員，只有在工作面或者回風巷中的安全監控系統下屬的甲烷傳感器檢測數值超過預定值，并且斷電較長時間后，才能發現礦井內部存在的瓦斯異常現象。比如，若礦井內每個地點的瓦斯體積從原本的0.01%迅速上升至0.03%，盡管變化率較大，但這一變化未必會引起管理人員的注意。同時，受部分甲烷傳感器較為靈敏的影響，部分管理人員在對甲烷傳感器進行校調時即便發現一些突變數據，往往也會將其當作異常數據而忽略。例如，管理人員在發現傳感器測定的瓦斯體積分數突然從0.01%一下跳到標準體積分數2.00%時，第一反應大多是傳感器出現問題，需要對其進行校調處理。這一情況的出現在一定程度上增大了礦井內部瓦斯事故出現的概率。現階段，為了實現對瓦斯突變的有效判斷，人們需要采取合理措施。首先，礦井管理人員應當提升對異常數據的關注度；其次，應用合適的無線傳感網絡代替傳統的礦井安全管控系統，可以降低傳感器信號傳輸過程中數據傳輸錯誤這一情況的出現概率；最后，管理人員應當明確傳感器校調、瓦斯突變數據范圍，以識別兩者間的差異，并且應通過避免無效數據參與校調工作的方式，切實保障礦井綜采工作人員的安全。

2 以無線通信為基礎設計瓦斯監控報警系統的意義

近年來，為切實滿足人們對煤礦資源的需要，煤礦井下綜采作業的深度不斷增加，盡管這在一定程度上提高了煤礦的開采效率，但瓦斯逸出、粉塵爆炸等問題出現的概率也在不斷提升。這一情況的出現已經對綜采作業的安全性造成了嚴重的威脅。面對上述情況，國家安全生產監督管理局公布了《煤礦安全規程》，要求在礦產資源開采過程中，企業必須安裝監控系統。但部分煤礦安裝的監控系統存在智能化水平低、網絡布線較為復雜、維護難度大等問題，智能監控系統未能充分發揮自身的作用。現階段，為切實解決上述問題，本設計以無線通信技術為基礎，構建了一款更為靈敏、可靠的瓦斯監控報警系統。該系統能對當前礦井內部的瓦斯濃度進行精準測定，能及時將測定結果上傳給相關技術人員，其成為能切實提升當前礦井瓦斯濃度管控工作質量的方式之一[1]。

3 以無線通信為基礎設計瓦斯監控報警系統的方法

3.1 瓦斯監控報警系統設計思路

為切實提升當前煤礦瓦斯監測系統的安全性、高效性，在構建瓦斯監測警報系統時，本設計主要將無線傳感網絡應用于煤礦開采并以ZigBee與RS485總線為依據，構建了基于MESH網狀結構的瓦斯監控報警系統。在實際應用過程中，該系統內部擁有多個瓦斯監控無線傳感器節點，這些節點不僅可以對礦井內部瓦斯濃度進行采集，還能將自身收集到的信息通過總線傳輸給相關工作人員，便于工作人員對煤礦瓦斯濃度變化情況進行實時監控。

3.2 無線網絡的設計

在實際應用過程中，無線傳感網絡主要是由一些功耗較低、體積較小并且具有數據信息采集、處理、無線傳輸功能的傳感器節點組成。在實際使用過程中，節點主要由處理器、無線通信、傳感器與能量供應這幾個模塊共同組成。其中，處理器模塊是整個無線通信系統的核心模塊，負責對各處傳輸的數據信息進行處理，并對整個節點系統的運轉進行管控。無線通信模塊主要負責聯絡其他節點系統，實現信息的交互。傳感器模塊在使用過程中負責收集檢測區域內的信息，并將信息轉化為電信號輸出。能量供應模塊負責為整個系統提供滿足自身運轉所需要的能量。

3.3 硬件系統的設計

該瓦斯監控報警系統的硬件系統主要由監控地點的傳感器、地面監控主機、無線通信網絡、LED顯示屏、聲光報警系統等部分組成。在實際設計過程中，系統傳感器的采集節點主要由處理器的電路板與信號調理器電路板共同構成。其中，處理器電路板主要負責數據的存儲與通信、信號調理器電路板則負責信號的采集與調理。在實際設計過程中，設計者可以用TI公司的cc2430芯片作為硬件系統采集節點的控制器與射頻收發器，該芯片在實際使用過程中可以完成無線網絡節點的實時通信。同時，傳感器的采集節點的控制主要由8051內核完成，該內核與傳感器相互合作，可實現數據信息的采集并可將礦井內的環境參數以電壓電流、電阻等可測得的形式進行傳輸。

基于無線通信設計的瓦斯監控報警系統，要想進一步提升系統監測瓦斯濃度的準確性，選擇合適的瓦斯采集傳感器很有必要。本文在設計過程中所采用的瓦斯濃度采集前端為MJC4/3.0L載體催化元件，將載體催化元件接入煤礦瓦斯監控報警系統中，可以保證載體催化元件的效用得以充分發揮，如圖1所示。在實際應用過程中，傳感器可以通過熱催化的方式實現瓦斯氣體的探測。具體來說，瓦斯傳感器內部含有催化元件，如果探頭氣室內并不存在瓦斯氣體，那么瓦斯傳感器的電橋將保持平衡，此時不會輸出電信號；若探頭氣室內存在瓦斯氣體，那么受熱催化反應的影響，電橋將失去平衡，輸出電信號，輸出的電信號大小與氣體濃度之間成正比例關系。需要注意的是，由于傳感器輸出的監測信號數值相對較小，單位為mV，這種情況不利于后續設備檢測與操作，因此設計人員需要先將電信號輸入到儀表放大器中進行放大處理，再對電信號進行A/D轉換，以便微處理器將運算后的數據通過射頻模塊進行無線傳輸[2]。

圖1 瓦斯監控報警系統硬件接口

在瓦斯監控報警系統工作過程中，載體催化元件傳輸的電信號相對較小，僅用這一大小的電信號進行信號通信，往往無法滿足信號傳輸對于通信距離的要求。現階段為切實解決上述問題，設計者可以通過對電信號進行放大的方式，增加信號的傳輸距離。在基于無線通信的瓦斯監控報警系統設計過程中，設計者可以在cc2430的基礎上增加cc2591功率放大器，從而達到優化無線傳感器網絡通信功能的目的。

為了實現對礦井內部瓦斯濃度的實時監控，在構建基于無線通信的瓦斯監控報警系統時，設計者可以用模糊PID對主控芯片cc2430進行控制，并用P0_1輸出所需波形，以此控制電路電磁閥的開閉。在電磁閥控制電路工作過程中，若礦井內的瓦斯氣體濃度超過安全生產范圍，那么電磁閥將關閉，抽排泵開始工作，將礦井內的瓦斯氣體排出礦井。當礦井內的瓦斯氣體濃度低于安全生產范圍時，電磁閥打開，抽排泵停止工作。

基于無線通信的瓦斯監控報警系統硬件與顯示屏以及聲光報警器相連接，在實際工作過程中，報警系統會將載體催化元件傳輸的電信號信息集中投影到LED屏上，便于工作人員及時觀測到礦井內瓦斯濃度數據。當傳感器檢測到的瓦斯濃度達到警報后，報警系統會將數據信號傳輸到地面主機，由主機發出聲光報警信號，便于工作人員了解當時的礦井瓦斯濃度，并制定科學合理的解決方案，切實保證工作人員的人身財產安全[3]。

3.4 軟件設計

在進行基于無線通信的瓦斯監控報警系統軟件設計時，整個系統軟件的開發環境為IAR Embedded Workbench，主要工作內容包括無線傳感器網絡采集節點與無線傳感器網絡接收節點這兩部分的軟件設計。其中，無線傳感器網絡采集節點在工作過程中可以通過瓦斯傳感器對礦井內部瓦斯氣體的濃度值進行采集，再通過RF模塊接收節點傳輸的地址指令，最后由采集節點對地址信息進行判斷，明確這一信息與自身設置的地址是否相同。若兩者相同，則采集節點將采集到的瓦斯氣體濃度信息通過射頻模塊傳輸給接收節點。為實現模糊PID控制電磁閥開閉的有效控制，設計者可以在設計無線傳感器網絡采集節點軟件時，為其添加瓦斯濃度控制功能。在進行無線傳感器網絡接收節點軟件設計時，無線傳感器接收節點一方面可以通過串口接收上位機傳輸的指令，并將這一指令信息通過無線通信模塊傳輸給無線傳感器網絡采集節點；另一方面可以接收指定采集節點發來的瓦斯濃度信息，并用數碼管將濃度展示出來，同時還可以通過串口將采集節點發來的瓦斯濃度信息上傳給上位機。若瓦斯濃度超過標準限制，系統則發出聲光報警，提示管理人員瓦斯濃度過高。這種聲光報警的方式，可以使管理人員切實了解到井下瓦斯濃度數據并及時掌握工作面瓦斯濃度的變化情況，以此為基礎判斷是否需要停止工作面的采礦作業，從而達到切實降低瓦斯事故出現的概率、提高采礦工作質量的目的。

考慮到基于無線通信的瓦斯監控報警系統在運作過程中每天產生的瓦斯濃度數據達上萬條，若用戶直接在原始時間數據上對瓦斯濃度異常情況數據進行挖掘，那么工作效率將比較低。現階段，為切實解決這一問題，在構建基于無線通信的瓦斯監控報警系統軟件系統時，用戶可以以時間序列為基礎，對瓦斯濃度數據進行分析。同時，為進一步提高瓦斯異常情況監控的準確性，在構建瓦斯警報系統時，設計者可以先對當前導致瓦斯報警系統發出警報的數據特征進行分析，并以此為基礎建立初步甄別瓦斯濃度異常報警信號的數學模型，以基于模式特征的K-近鄰檢測算法為基礎，對瓦斯報警類別加以甄別，降低數據對瓦斯參數信息異常報警信號的干擾，由系統自動排除不符合報警規律的瓦斯數據異常信號，從而達到提高系統工作準確率的目的[4]。

3.5 系統運作方法

在實際應用過程中，基于無線通信的瓦斯監控報警系統可以通過安全監控系統中心站軟件完成對瓦斯濃度的判斷。具體來說，該系統的軟件具有校調識別功能，可以自動過濾傳感器檢測到的無效數據，同時該系統在應用過程中可以將檢測到的數據信息與瓦斯濃度異常警告信號模型進行比對，在發現瓦斯濃度異常后，及時發出聲光警報，并將當時的瓦斯濃度用顯示屏展示出來。為了保證該瓦斯報警系統能夠正常運行，礦井方面可以通過專門組織工作人員對監控報警信號進行全天監控的方式，在保證礦井瓦斯濃度有效管控的基礎上，由監控人員依照工作程序對瓦斯異常情況進行判定，在通知相關領導人員、施工人員的同時，按照相關規定與領導指示對礦井作業活動進行通風、停產、撤人等處理，從而為礦井作業活動的安全推進，以及作業人員的人身安全提供保障。

3.6 應用效果

本文設計的基于無線通信的瓦斯監控報警系統以ZigBee與RS485總線為參照，以MESH網狀結構為基礎，構建了適合煤礦礦井中瓦斯濃度勘測工作的瓦斯監控報警系統。由于給水系統在設計過程中，內部安裝了多個瓦斯監控無線傳感器，這些傳感器在實際工作過程中，承擔著測定礦井內部瓦斯濃度測定以及將測定結果傳輸給相關工作人員的重任。由于這種瓦斯報警系統在構建過程中應用了高精度的敏感元件并可以通過總線實現信息的遠距離傳輸，因此這款瓦斯警報系統是一種瓦斯濃度數據測定較為準確，操作難度偏低的一種瓦斯濃度監控報警系統，可以實現礦井內部瓦斯濃度的實時監控，從而為礦井安全監測工作朝著數字化、現代化可控管理方向的推進提供了有效的支持。

3.7 應用實例

某公司將該瓦斯監控報警系統應用于某煤礦作業面，并對其應用效果進行為期3個月的考核，由工作人員集中對這3個月內產生的13 075條瓦斯報警數據進行甄別，并將甄別的結果錄入到數據庫中，對語句分析統計結果加以查詢。應用實踐發現，在這些警報數據中，程序甄別的瓦斯超限警報共有927條，識別為傳感器校調的信號數量為10 860條，識別為干擾故障的為1 288條。工作人員對這些程序報警信號進行識別后發現，瓦斯超限報警中信號中實際為瓦斯超限的信號僅有94條，剩余為校調、故障信息誤判，程序識別為傳感器校調的記錄。經人工檢查發現，這些信號均為校調信號，程序識別為干擾故障的信號。有1 127條為干擾故障信號，剩余為校調誤判。經統計，本報警識別系統識別正確率達到了92%，因此在礦井瓦斯報警過程中，該瓦斯監控報警系統有著較高的應用價值[5]。

4 結語

在當前的礦井環境參數檢測過程中，構建以無線通信技術為基礎的瓦斯監控報警系統，不僅可以在礦井內部瓦斯濃度出現異常時及時發出警報，便于相關技術人員對其進行處理，還能通過對礦井內部設備進行斷電處理的方式，降低瓦斯事故出現的可能性，從而為礦井工作安全提供有效的保障。