無線傳感器網絡技術在煤礦通風機監測系統設計中的應用研究

陳 煒，張 瑩

(渭南師范學院 物理與電氣工程學院，陜西 渭南 714000)

能源問題直接關系到國家社會經濟發展的命脈，甚至會威脅到國家安全。煤炭資源是我國能源結構體系中非常重要的構成部分，為了維系社會經濟發展，我國每年都要開采大量的煤炭資源供人們使用[1]。煤炭大多在礦井中開采，開采時會涌出很多有毒、有害和粉塵等危害性物質，威脅礦井人員的身體健康甚至生命安全[2]。煤礦通風機可以不間斷地向井內輸入新鮮空氣，將井內危害性物質排出,是確保煤炭生產安全的重要措施和手段，為了確保礦井絕對安全，通常要求通風機24 h不間斷工作，對通風機運行過程的穩定性和可靠性提出了非常高的要求[3]。為了達到以上目的，需要設計監測系統對通風機的運行狀態進行實時監測。傳統的監測系統使用電纜對信號進行傳輸，在實踐應用中暴露出了很多缺陷[4]。研究基于無線傳感器網絡技術來構建通風機監測系統，與以往的有線電纜模式相比較展現出了很大的優勢。對于提升礦井通風機運行可靠性、確保煤礦生產安全具有重要的實踐意義。

1 監測系統總體方案設計

1.1 通風機的主要結構

煤礦中通風機是保障煤礦生產安全的重要機電設備，主要作用是向礦井內部輸入新鮮空氣，對井內的環境進行調節，保障井下工作人員的身體健康甚至生命安全[5]。礦井中經常使用的對旋軸流式通風機結構如圖1所示。由圖1可以看出，通風機主要由電機、一級和二級葉輪、集流器、擴壓器、整流罩和消聲器等部分構成[6]。此類型結構設計的能耗相對較低、工作效率高，具有很好的節能效果，在煤礦中的應用最為廣泛。

圖1 對旋軸流式通風機結構Fig.1 Structure of counter rotating axial flow fan

1.2 通風機主要監測參數

通風機監測系統需要重點監測的數據主要是反映通風機運行狀態的數據信息，包括電機的電流與電壓、定子溫度、軸承溫度及其振動情況、通風風量和負壓等，通風機監測系統中傳感器測量節點的分布情況如圖2所示。可以利用電量變送器對電氣柜中的電流和電壓數據進行采集，并將其轉換成為標準的輸出信號，再利用無線網絡節點將數據信息傳輸到工控機中進行分析。可以對風機兩側面的靜壓差進行檢測進而計算獲得通風機的風量，利用加速度傳感器對通風機軸承的振動情況進行檢測，利用溫度傳感器對關鍵部位的溫度進行檢測；當測量得到的振動烈度超過了裝置的安全振動烈度的85%時，系統會向外發出預警，當通風機關鍵位置溫度超過最高安全溫度的85%后，系統向外發出預警。

圖2 傳感器測量節點的分布情況Fig.2 Distribution of sensor measurement nodes

1.3 無線通信網絡

煤礦工作環境比較復雜，使用有線電纜對數據信息進行傳輸容易受到環境條件的制約，在工程應用中暴露出了一些缺點和問題。隨著通信領域技術水平的不斷提升，當前無線網絡技術已經發展非常成熟，在很多工業領域得到廣泛應用[7]。因此，本研究在建立通風機監測系統時，采用無線通信網絡技術對傳感器采集獲得的數據信息進行傳輸，可以更好地適應煤礦復雜的工作環境。當前能夠實現無線通信的技術有很多種，常見的包括WLAN技術、UWB超寬頻技術、ZigBee技術、藍牙技術以及無線射頻技術等[8]。不同的技術各自有其優點和缺點，適用于不同的工業場合。在分析不同無線通信技術特點以及礦井實際情況的基礎上，選用ZigBee技術來搭建無線傳感器網絡。ZigBee技術運行時的功耗和成本均相對較低，數據傳輸的速度雖然較低但完全能滿足本系統實際工作需要，數據傳輸延時比較短，網絡節點容量較高，可以存儲更多的數據，最關鍵的是通信協議簡單，具有較高的安全性。

1.4 通風機監測系統的總體結構設計

設計的礦井通風機監測系統主要由傳感器、傳感器節點、ZigBee協調器節點、監測計算機等部分構成。其中，傳感器包括電量變送器、負壓傳感器、振動傳感器以及溫度傳感器等。基于ZigBee技術的網線網絡包含2類節點，分別為傳感器節點和協調器節點，前者的任務主要是對傳感器檢測得到的數據信息進行初步整理并將其向外發送，協調器節點的作用是實現與傳感器節點之間的通信，并作為外部系統的接口，整個ZigBee無線網絡可以實現數據信息的發送、接收及其與上位機之間數據信息的交互。

基于無線傳感器網絡技術的煤礦通風機監測系統整體結構如圖3所示。系統中利用溫度傳感器對通風機和電機的軸瓦溫度進行檢測，利用振動傳感器對風機軸承垂直和水平方向的振動情況進行檢測，利用負壓傳感器對通風機的負壓和風量大小進行檢測。協調器節點與監測計算機之間利用串行接口進行連接實現數據交互。傳感器節點有多個，協調器節點只有一個，它們之間構成一個星型網絡結構。監測計算機中安裝有監測預警軟件，可以對傳輸過來的數據信息進行處理和分析，一旦發現通風機的狀態數據超過了系統設定的安全閾值，會立即向外發出安全預警，以提示工作人員及時進行處理。

圖3 通風機監測系統整體結構示意Fig.3 Overall structure diagram of ventilator monitoring system

2 主要硬件設計

2.1 主要傳感器選型

對于監測系統而言，傳感器是非常重要的基礎硬件設施，需要利用傳感器對通風機各種狀態信息數據進行實時采集，采集的質量和效率會對監測系統運行的效果產生重要影響。礦井通風機監測系統中結合實際情況選用的主要傳感器的型號及相關參量。①監測指標：電參量、溫度、振動、負壓。②傳感器類型：電量變送器、鉑熱電阻傳感器、加速度傳感器、微壓變送器。③傳感器型號：JD1940-BS4I、PT100、HS-421、B0300。④輸出信號為4～20 mA。

2.2 無線節點模塊設計

(1)ZigBee芯片選擇。ZigBee無線網絡技術是一個非常廣泛的概念，可以結合具體應用情況選用不同的硬件設施，進而建立不同的通信方案。考慮到CC2430無線模塊使用的是8051處理器，該型號處理器的面世時間比較長，經過多次產品的迭代研發，目前該處理器具有優良的性能。另外，8051處理器具有很好的兼容性，可以利用多種平臺和語言對其進行開發，方便監測系統后續的軟件程序編寫[9]。CC2430無線模塊處理器為8051，屬于8位處理器，完全能夠滿足系統的需要，可編程閃存和RAM的大小分別為128 KB和8 KB，包含有最高14位的ADC轉換器接口，可以同時與多個傳感器進行連接接收數據信息。

(2)無線節點模塊設計。選用的CC2430無線模塊屬于高度集成的芯片，芯片內部已經設置有大量的電路，包括ADC轉換、實時時鐘等。所以,基于CC2430無線模塊開展無線節點模塊設計工作時，只需在此基礎上增加設置部分外圍電路即可。CC2430無線模塊原理如圖4所示。

圖4 CC2430無線模塊原理示意Fig.4 Schematic diagram of CC2430 wireless module

2.3 傳感器節點硬件設計

(1)傳感器節點整體結構。監測系統無線傳感器節點的結構如圖5所示，整個傳感器節點由多個部分構成。其中，利用負壓傳感器和振動傳感器檢測獲得的數據信號，經過I/V轉換電路處理后可以與CC2430主控芯片進行連接，溫度傳感器可以通過電橋測溫電路實現與芯片之間的連接。CC2430主控芯片內部自帶有A/D轉換電路，上述傳感器檢測獲得的模擬量數據信息傳入到芯片內部后，可以利用該電路對模擬量數據進行轉換，獲得數字量信號后再進行處理分析。外部傳感器接口的主要作用是實現傳感器與主控芯片之間的連接。另外還包括按鍵控制模塊、電源轉換模塊、天線接口模塊等。電源轉換模塊的作用是對電壓進行轉換，選用的型號為BSD5-24D15，此模塊中選用的轉換芯片及放大器具體型號為LM2576和LM324。按鍵模塊的作用是實現與協調器節點之間的通信控制，也可對無線傳感器節點進行復位處理。

圖5 無線傳感器節點的結構框架Fig.5 Structural framework of wireless sensor nodes

(2)電壓轉換模塊。傳感器節點中包含有很多類型的硬件設施，不同類型硬件設施對供電電壓的需求量存在很大差異。為了適應不同硬件設施的穩定工作基本需要，要求設計電壓轉換電路對電壓大小進行轉換，以便提供不同形式的電壓。結合實際情況，設計的電壓轉換電路原理如圖6所示。

圖6 電壓轉換電路原理Fig.6 Principle of voltage conversion circuit

在通風機監測系統中負壓傳感器和振動傳感器需要利用24 V直流電壓對其進行供電，電源模塊BSD5-24D15需要用15 V電壓對地進行供電，其他硬件設施，比如CC2430主控芯片需要利用3.3 V直流電壓對其進行供電。基于以上實際情況，監測系統利用24 V直流電壓對整個系統進行供電，然后利用圖6的電壓轉換電路將24 V電壓轉換成15 V和3.3 V電壓，這樣可以很好地滿足不同硬件設施的供電需求。根據實際測試結果發現，利用該電路進行轉換時可以將電壓的輸出精度控制在±1%以內。

(3)電流輸出信號調理電路。為了滿足監測系統的數據傳輸需要，針對每個無線傳感器節點都設置有多路溫度信號、振動信號和負壓信號[10]。考慮到CC2430主控芯片ADC采樣模塊只能對數字量信號進行收集，但利用各類傳感器檢測得到的輸出信號均為4～20 mA的電流信號。因此，需要設計監測信號轉換電路將電流信號轉換成為電壓信號。監測信號轉換電路原理如圖7所示。利用該電流輸出信號調理電路可以將4～20 mA的電流信號轉換成為0～3 V的電壓信號，進而被CC2430主控芯片進行分析與處理。

圖7 監測信號轉換電路原理Fig.7 Principle of monitoring signal conversion circuit

2.4 協調器節點硬件設計

監測系統協調器節點結構如圖8所示。協調器節點中選用的主控芯片與傳感器節點相同，即CC2430。還包括天線接口模塊、調試接口模塊、電源轉換模塊、串口模塊、按鍵控制和LED指示模塊等，其他模塊全部與CC2430主控芯片連接。電源轉換模塊選用的適配器為5 V，需要利用電源轉換芯片將5 V電壓轉換成為3.3 V電壓，以便對主控芯片進行供電，其中電源轉換芯片的具體型號為AS1117-3.3 V。RS232/RS485串口模塊的作用是與監測計算機進行連接，實現與計算機之間的數據交互。本系統中串口模塊選用芯片型號為MAX3232E，芯片正常工作時需要利用3.3 V的電壓進行供電。基于RS323/RS485通信協議能夠實現數據信息的高效傳輸，保證數據傳輸速率以及數據的安全和可靠。LED指示模塊的作用是對協調器的工作狀態進行指示，以便工作人員能夠更好地掌握協調器的工作狀態。按鍵控制模塊的作用與傳感器節點中的按鍵控制模塊基本相同，就是對協調器與傳感器之間的通信過程進行控制，并對各種硬件設施進行復位處理。

圖8 協調器節點結構Fig.8 Structure of coordinator node

3 通風機監測系統軟件設計

利用KingView 6.53軟件對通風機監測系統的軟件程序進行開發，利用該軟件平臺進行開發的主要優勢在于可以實現圖形化、可視化、直觀化數據信息的展現，能夠非常直觀地對通風機運行狀態數據信息進行顯示。基于模塊化思想對監測系統的軟件程序進行設計開發，主要的畫面包括數據信息報表界面、監測預警畫面、監測報警畫面。在通風機監測系統軟件的預警界面中，可以看出整個畫面主要由兩大部分構成，分別為通風機監測示意圖和通風機趨勢曲線。預警界面通過數據及其隨時間的演變曲線非常直觀地展示各個節點的狀態數據信息，工作人員通過預警畫面可以實時掌握通風機各個節點狀態的演變趨勢。

報警畫面的主要作用是一旦監測系統檢測發現通風機某個位置存在安全隱患時，會通過該畫面發出報警，同時對相關數據信息進行保存記錄，以便后續查詢使用。報警畫面以彈窗的形式出現，同時伴隨報警語音，工作人員對相關問題進行處理完畢后才能將報警畫面確認關閉。數據報表界面包含2種形式，分別為日報表輸出和查詢報表輸出。監測系統每天會自動生成日報表進行輸出保存，重點對報警記錄數據進行保存，包括報警次數、時間以及具體問題等。查詢報表輸出是根據工作人員實際需要針對性地輸出數據信息。

4 應用效果

為了對上文研究的基于無線傳感器網絡技術的煤礦通風機監測系統的性能進行驗證，將系統部署到煤礦工程實踐中，并對其各項性能進行實踐測試。結果發現，監測系統正式投入使用以后，各項功能均達到了預期效果，可以實時掌握礦井通風機的運行狀態，徹底改變了礦井通風機處于半失控狀態的局面。有了通風機的運行狀態數據信息后，設備運維人員可以對這些數據進行分析研究，可以更加深入地掌握通風機的工作狀態。更重要的是系統具備有安全預警功能，一旦發現通風機狀態存在安全隱患時，會立即向外發出警報，提示工作人員及時采取有效措施進行處理，避免小隱患引發大的安全事故。總之，監測系統在煤礦通風機中的成功實踐應用，不僅降低了通風機設備的運行故障率，為企業節省了一定的設備維護保養成本，產生了一定的經濟效益。更重要的是提升了礦井通風機運行過程的穩定性和可靠性，為煤礦安全生產奠定了堅實的基礎，創造了較好的安全效益。

5 結論

以煤礦中使用的通風機為對象，基于無線傳感器網絡技術建立了監測系統，所得結論主要如下。

(1)選用ZigBee無線技術構建無線傳感器網絡，可更好地適應礦井工作環境。監測系統利用傳感器對通風機運行狀態數據進行采集，通過傳感器網絡將數據以無線的形式輸送給協調器，進而傳輸到監測計算機中進行分析處理。

(2)電量變送器、鉑熱電阻傳感器、加速度傳感器、微壓變送器的型號分別為JD1940-BS4I、PT100、HS-421、B0300。ZigBee無線模塊的傳感器節點和協調器節點中使用的主控芯片型號為CC2430。

(3)基于模塊化思想對監測系統的軟件程序進行設計，監測系統的畫面主要有實時監控畫面、報警畫面和數據報表畫面，不同畫面可以實現不同功能。

(4)將設計的通風機監測系統部署到煤礦工程實踐中，取得了較好的應用效果，各項功能都得以實現，為煤礦企業創造了較好的經濟效益和安全效益。