基于物聯網的礦井安全監控系統的設計及應用效果分析

邢鵬榮

（晉能控股煤業集團云崗礦，山西 大同 037000）

由于國家不斷改革與整理煤礦行業，逐漸提高了煤礦井下生產的安全性的條件，而且對其的關注度也在逐漸提高。若有事故發生在煤礦井下，第一件要做的事就是把礦工的遇難者進行搜救，可煤礦井下所處的環境是十分差的，若有礦工遇難之后，極不易開展搜救，就會把搜救礦工的最宜時間給錯過了，造成不少的悲劇。由于不斷發展的物聯網技術，使無線通訊技術在我國的眾多領域中廣泛使用，ZigBee技術尤其突出，主要是因為ZigBee技術的成本、速率、能耗都比較低，所以其獲得了各領域人士的極度重視。所以，根據上面所說的情況與技術的應用，對煤礦井下的安全監控系統進行了開發，能隨時監控礦工所在的具體位置，使處理礦井事故的效率提高，對確保礦工的安全意義十分重大。

1 設計監控系統的要求

在未設計監控系統時，要對監控系統的可行實用與經濟進行考慮，以下就是云崗礦所提出的詳細條件：①就是無線傳感信號的運行具有穩定性，而且抗干擾能力與穿透性等均較好；②就是以太網通信的傳送速度比較快與充足的帶寬，能夠保障監控系統在對數據輸入準確實時；③由于位置傳感器的能耗比較低，帶電能力比較強，所以其被井下的職工帶在身邊；④對測量設備進行選擇時要考慮對成本的控制，只有最大限度地把成本減少就能符合具有穩定與準確性的系統的要求；⑤擴展性較好是監控系統所擁有的特點，能夠保障對系統的改進與升級，把使用監控系統的期限延長，使利益實現最大化；⑥靈活的操作與適應的環境是監控系統所擁有的特點，可以按照井下的真實狀況，有針對性地進行處理，供給工作人員進行參考。

2 設計監控系統方案

圖1即為安全監控系統方案，其方案由數據處理監控層、數據傳輸層與數據采集層構成，其數據處理監控層所說的是頂層的，數據傳輸層主要是以太網，影像采集裝置、所有的傳感器等能夠實現具有數據采集功能的底層，比方說，紅外攝像頭、風速風壓傳感器、溫濕度傳感器等，能夠完成隨時采集井下生產的有關數據與施工環境。把井下采集數據經過以太網反饋與傳遞給上層就是中央的數據傳輸層的主要工作，并且ZigBee技術對采集的所有移動環節所使用。計算與處理接收到的視頻信息與數據就是頂層的數據處理監控層需要完成的主要工作，并顯示出其監控數據；與此同時，按照數據的改變走向監控人員可以把控制命令發送給井下，使控制和監測井下的施工得以實現。

以下就是該系統所擁有的優點：實施與布線不依賴其他，而且還以目前所存在的監控系統為基礎來設計與改造，在本文設置安全監控系統的實現是選取的后者，其作用是把井下施工的安全性提高，還可以節約投入成本。

3 設計監控系統

3.1 硬件設計

在井下的監控系統中最主要的就是硬件設計，在對其進行設計與改造時，為了可以符合企業發展所需要的條件，基于之前的傳感器，來對下面幾項工作進行開展。

3.1.1 設計主控芯片

對于芯片而言，大部分的集成方法有2種，分別是外圍電路與主控芯片分離、主控芯片的下面一級的電路與主控芯片的集成，作用對應是前者能夠被工程師隨意設置，后者是電路所需要的空間下降，把其集成度提高，能確保其適應性良好。射頻收發模塊即為C2530主控芯片的下級電路，CC2530片上系統的使用，是為了能夠對礦井下極差的施工環境進行適應。當CC2530主控芯片工作時，其特點是較低的功耗、較多的網絡節點等。按照不同的內存量可以把主控芯片分 成：CC2530F256、CC2530F32、CC2530F32、CC2530F64，在本文所選擇的主控芯片的型號是CC2530F64，CC2530F64中設置的Z-StackM可以符合連接無線傳輸網絡時所需要的要求，而且在對Zig?Bee進行設計時，3種不一樣的節點也可以使用[1]。

3.1.2 設計溫濕度傳感器

與井下安全監控系統選用的傳感器的環境狀況相結合，溫濕度傳感器GWSD100被選用，其GWSD100主要包括2部分，分別是濕度探頭與溫度探頭，前者的優點是靈敏度好，檢測范圍好，可以使采集的溫濕度信號更加可靠、穩定的實現。并且會把采集的溫濕度信號進行匯總至里面的處理器系統中，然后在對其進行分析，溫濕度頻率輸出信號與相應的溫濕度電流輸出信號的兼容性較好。圖2即為GWSD100工作原理框圖。

3.1.3 設計瓦斯傳感器

在井下作業時，最重要的檢測因素就是瓦斯，關于瓦斯傳感器的比較高的要求來說，不但檢測要有較強的靈敏度，還要防爆能力不錯，因此才選用了瓦斯傳感器GJC4。瓦斯傳感器GJC4使用的芯片是嵌入式的，有利于控制和維護，符合隨時監測瓦斯濃度的需求。聲光報警、顯示器、單片機等構成了瓦斯傳感器GJC4，其功能是傳輸距離比較遠、顯示信息、聲光報警器、輸出數據信號、斷電保護等，設計可以呈現模塊化能夠保證將來的安裝更加方便快捷。

3.2 設計節點模塊

3.2.1 設計移動定位節點

在井下的工作人員移動后，對移動后的位置進行指示就是移動定位節點，并且內部信息要對應相應人員的詳細信息，若要隨時掌握所有人員所在的位置，就要把其隨時帶著。圖3即為移動定位節點的系統框圖，主要由傳感器、天線、電源、CC2530主控芯片等構成。CC2530主控芯片的主要功能就是對井下的工作人員的具體信息進行收集與處理，然后射頻天線會把各個人員的具體信息傳遞給地面上的監控中心基站，使對井下人員的實時監控的目的得以實現。模塊化想法會被系統設計所使用，并把擴展接口提前留在芯片的左邊一側，數據傳輸接口也是對應傳感器所具有的，有利于升級、維護系統。

3.2.2 設計參考定位節點

在井下安全檢測系統內，若想把井下工作人員所在的詳細位置進行確定，就要把移動定位節和定位節點結合起來，方能使實時監測井下工作人員的功能得以實現。在井下設置參考定位節點時，要把其生產環境作為基礎，必須符合分布密度與定位精度的條件。由于不少的分支路口、復雜的空間分布存在工作面巷道中，具有收發能力的無線信號也被考慮其中，用來明確設置參考定位節點最好的位置。一般會把很多監測傳感器安裝在參考位置節點的位置，比方說瓦斯傳感器、溫濕度傳感器等，網線網絡會把采集到的數據傳遞到地面的監控系統中，使監測井下的操作環境得以實現。圖4即為參考定位節點系統框圖，CC2530就是參考定位節點的中心，其作用就是對所有傳感器采集的實時信號進行接收，并安裝了電源模塊，其目的就是提供給報警模塊與所有的傳感器能量，所有的參考定位節點的有關位置信息有且只有一個，并和具有64位地址的射頻芯片相對應，以此為基礎來明確移動定位節點所在的詳細位置。

3.2.3 設計協調器中心基站

就井下安全監測系統而言，協調器中心基站能夠起到的作用是對其進行組織、管理、維護與協調，圖5即為協調器中心基站系統框圖。存在于協調器中心基站的所有部分之間是相輔相成與獨立共存。中心節點不但是無線網絡創建的依據，而且還是連接數據處理模塊接收被無線網絡傳遞過來的信息數據的樞紐；對節點的數據進行存儲、分析、接收及通信于主機是處理器模塊能夠實現的功能；在地面的監控系統接收被通信接口傳送中心基站有關數據時，首先要經過交換機的處理，然后再通過以太網把其傳送到地面的監控系統中。

3.3 設計控制界面

對井下安全監控系統來說，其主要用途就是監測井下的環境與工作人員，所以要顯示井下的監測數據，并把數據提供給人員，讓其進行察看。完成人機交互的孔道就是控制界面，這一設計重要性非常大，不但要把數據完全顯示出來，而且操作也不難。井下安全監測系統主界面能夠直接地把人員所在的位置顯示出來，而且經過軟件能夠切換界面，可以使對該系統界面的監控和顯示的條件得以滿足。

4 評價應用效果

由于要對所設計的井下安全監測系統的主界面的成效進行驗證，所以跟蹤記錄了半年的井下安全監測系統的主控界面的運行流程，得出的應用效果發現，該系統運行具有可靠性、穩定性，可以符合對井下工作環境與工作人員的進行監控的條件。和未改進該系統相對比，新設計的礦井監控系統投入的維護費用下降了20%左右，由于安全事故所造成的停工期限下降了15%左右，使采煤機械設備的使用率上升，若發生礦難時搜救遇難人員的時間下降了40%左右，應用獲得的效果不錯[2]。

5 結束語

在煤礦中，安全與經濟利益關系密切，一定要對其重視起來。關于在發生礦難時對受困人員不易進行搜救的問題，以物聯網技術為基礎，改造與設計了井下安全監控系統。得出的應用效果發現，該系統運行具有可靠性、穩定性，可以符合對井下工作環境與工作人員所在的具體位置進行監控的條件。