基于無線傳輸技術的礦用新型瓦斯監控系統設計

杜 剛

（晉能控股天安煤業有限公司，山西晉城048000）

煤炭作為一種重要的化石資源，在我國發揮著重要的作用。但是煤炭的開采工作具有一定的困難，其礦井內部的環境惡劣，氣候潮濕，塵土較多，電磁干擾嚴重。同時，礦井內部的空氣成分復雜，伴隨著大量的一氧化碳及瓦斯氣體，對人類的呼吸系統影響極大。隨著煤礦開采的大規模進行，事故發生頻繁，尤其是瓦斯事故，給煤礦開采工作造成了較大的阻礙，直接影響到了人類的生命安全及煤炭企業的經濟效益。而隨著煤炭開發的程度加深，瓦斯中毒及爆炸等事故頻發，造成較大的社會影響。據相關的數據報道，我國煤礦事故的大部分都是由瓦斯氣體引起的，且造成危害較大，死亡人數較多，具有較大的影響力[1-4]。因此，為了遵循安全生產的原則，我們需要對礦井內部的瓦斯濃度進行精準檢測，一旦濃度超標將及時報警，進而保障礦井工人的生命安全。

傳統的地下礦井檢測系統具有諸多弊端，它是由電纜組成。通過在煤礦內部布置大量的電纜線，并通過各類傳感器進行檢測，通過監測各區域的瓦斯濃度，保障生命安全。正如上面所說，利用線纜的檢測方式存在以下問題：①地下巷道復雜，因此受地形的影響，其布線工作量較大，且布線沒有規律，花費大量的人力及物力進行線纜的設計及鋪設，同時，鋪設電纜方式的靈活性較差，甚至會出現鋪設不到位的現象。②只有在電纜鋪設的區域才能實現監控任務，因此監控區域受到的約束較大，肯定會出現盲區，進而導致事故隱患，使其工作的安全性得不到保障。③線纜鋪設完成后，由于其地下環境惡劣，因此需要花費時間去定期維護，況且維護困難，故障維修較為困難，其經濟性較差。

作者對上述的檢測方式進行了改進，突破了傳統檢測方式的弊端，解決了線纜鋪設的局限性，降低了對設備的要求。本文通過無線網絡結合傳感器的模式進行檢測，該檢測方式不需要鋪設大量的線纜，可以將其檢測裝置自由配置，避免了大量的人力消耗，增加了檢測系統的靈活性，同時，該系統還設計了較為良好的人際交互界面，該界面操作簡單，能夠直觀顯示瓦斯濃度，實現了實時監控，通過對該氣體濃度監控，有效地避免了事故的發生。

1 瓦斯監控系統設計要求和參數

礦井內部的環境惡劣，氣候潮濕，塵土較多，電磁干擾嚴重。同時，礦井內部的空氣成分復雜，伴隨著大量的一氧化碳及瓦斯氣體，對人類的呼吸系統影響極大。因此為了保障監控系統的穩定運行，需要該設備具有防潮及防輻射等功能。

我國對煤炭開采行業制定了較多的行業標準，保障開采的安全性。正如《煤礦安全管理規程》一樣，該規程規定了井下氣體的安全濃度，其具體濃度如表1所示。

表1 煤礦井下有毒有害氣體檢測技術指標

根據上述的氣體檢測標準可知，礦井內部的瓦斯監控系統需要滿足以下條件：

（1）安全性。礦井瓦斯監控系統主要由兩部分構成，一類是以傳感器為核心的硬件設備，另一類則是監控軟件。兩部分共同作用，實現監控功能。前者設備需要適應地下礦井的惡劣環境，能夠滿足防塵、防腐蝕等性能。同時，硬件設備的數據傳輸也不能受到影響，保證傳輸的穩定性。

（2）完善的系統管理。根據上述的描述可知，礦井巷道復雜，瓦斯監控系統也需要定期進行維護，防止監控系統失效，這就對系統設計提供了挑戰，監控系統必須維護方便，系統管理符合要求。

（3）地下煤礦內部的空間有限，因此需要充分利用內部資源，通過無線網絡信息進行傳輸，避免了空間的浪費，且不需要花費大量人力進行布線。同時，可以通過上位機進行集中管理，極大地改善了檢測的準確性，使其能夠在規定時間內報警，實現內部瓦斯濃度的檢測[5-8]。

2 基于無線傳輸技術的瓦斯監控系統方案設計

根據上述監控系統的要求，對其系統進行設計，選擇合適參數。該系統需要從硬件及軟件兩部分進行設計，滿足當前的檢測需求。圖1 則是總體設計方案架構圖。

圖1 煤礦瓦斯監控系統組成

正如圖1 所示，該監控系統大致分為四部分，下面將對其進行詳細闡述，第一部分為智能感知層，第二部分則為傳輸層，第三部分則是數據分析層，第四部分則是監控及報警層。各部分的功能不相同，分別由不同模塊組成。第一部分則是以傳感器為核心進行傳感器網絡的搭建，內部有多個傳感器，可以完成井下氣體的感知任務。該傳感器體積小，分布較廣，利用自組織的形式組建了網絡，可實現氣體檢測及采集等功能。而第二部分的信號傳輸則承擔了信息的傳遞任務，它主要傳遞傳感器采集的信息。而第三部分則是整個系統的核心，它主要是對傳感器的信息進行處理，其內部集成了CPU，可實現數據的分析，同時該系統具有多種模式，最為典型的則是PID控制，通過該方式實時控制瓦斯的濃度，使其維持在正常水平，一旦濃度超標，則會發生報警，提醒施工人員，保障安全生產。第四部分則是主要由各類監控設備構成，可實時顯示濃度信息，同時也能將一段時間內的瓦斯濃度趨勢通過曲線的形式展示，保存好歷史的瓦斯濃度信息，方便以后的事故分析。圖2則為該監控方案的原理圖。

圖2 基于無線傳感器網絡的瓦斯監控系統總體方案圖

正如圖2 所示。該監控方案分為地上監控及地下監控兩部分，地上監控的主要核心則是監控中心，而地下監控的關鍵則是無線傳感器網絡，通過網絡采集的瓦斯濃度信息，并將信息傳輸給網絡接收節點，該接收節點處于地下。該傳感器網絡采用了星型方式進行搭建，具體的搭建方式如圖所示，將地下采集的信息通過網絡進行傳輸到地上的監控系統，從而避免了地下瓦斯濃度超標，保障了生產安全。

3 瓦斯監控系統硬件設計

3.1 傳感器選型

該監控系統的核心則是瓦斯監控傳感器，它主要是將瓦斯濃度信息轉化為電信號并進行傳輸，進而實現濃度檢測。正如圖上顯示，該系統使用的瓦斯監控傳感器的型號為KGS-20，它是專門用于檢測濃度的傳感器，其內部含有二氧化錫，它是一類敏感材料，遇到瓦斯氣體會發生反應。該傳感器是一種半導體傳感器，可檢測可燃氣體的濃度，此類傳感器的靈敏度高，響應速度快，具有一定的應用范圍，是最常見的氣體檢測設備之一。其實物圖如3(a)，而內部的電路圖則如圖3(b)所示。

圖3 KGS-20瓦斯傳感器及電路圖

該瓦斯傳感器可用于檢測可燃氣體，它是一類半導體類型的檢測設備，其內部含有電路，可以輸出電流及電壓信號。同時該傳感器的輸出電流范圍為1～5mA，而輸出電壓的范圍為1～5V。該傳感器將電壓及電流信息輸送給監控系統，由該系統進行數據處理，完成監測工作[9]。

從上述的傳感器電路可以看出，該傳感器的探頭內部含有監測元件，當礦井內部不含氣體時，其內部的電橋處在平衡狀態。而當礦井內部含有瓦斯氣體，探頭內部元件發生反應，導致電路的電橋不穩定，電路失去平衡，進而產生電信號，而由于礦井內部的濃度較小，產生的電信號很微弱，因此需要使用AD623實現信號的方法，同時通過處理器實現A/D轉換，并利用射頻模塊進行信號的傳輸。

3.2 無線傳感網絡系統組成

該瓦斯濃度監控系統安裝在礦井中，而礦井內部構造復雜，因此需要在內部多個點布置其傳感器，并將其連接到中心節點中，實現統一控制。同時，采用傳感器技術能夠提高監測精度，提高系統的管理水平，圖4則為整個系統的硬件結構。

圖4 無線傳感器網絡硬件組成結構

通過圖4可以得知，該監控系統的硬件核心為傳感器，圍繞瓦斯傳感器的采集及接收節點進行搭建，結合監控計算機完成了整個監控系統。而傳感器的監測節點可以組成通信網絡，可實現數據的處理，并上傳到地面系統，而該系統中，每個傳感器的節點都是嵌入式系統，通過該種方式，節約系統的帶寬，進而加大了設備的便利性。

4 軟件系統設計與監控系統

無線傳感網絡內的節點均使用了嵌入式的開發環境。通過嵌入式提供的IAR 框架與其他設備結合，實現了監控功能。而嵌入式系統的處理器位數種類較多，最為常見的則是8位、16位和32位等。在進行項目開發時，系統提供了豐富的開發工具，能夠使用大量的代碼庫，提高可開發效率，使得工作時間及難度大大降低。而本項目設計的瓦斯濃度監控系統的軟件部分也是利用了IAR Embedded Workbench。傳感器網絡會對氣體濃度進行采集，并通過射頻模塊接收地址數據，當傳感器的采集節點與地址信息是否對應需要進行判斷，當滿足一致性時，則會將采集的濃度信息由射頻模塊發出，接收節點進行數據的接收。另外，該系統還能控制瓦斯濃度，其具體的控制流程如圖5所示，通過判斷發送及接收模塊，確定數據發送是否成功。

圖5 無線傳感器網絡采集節點工作流程圖

該傳感器網絡的接收節點主要有兩個功能，一個是接收上位機的指令，并將該指令發送給網絡的采集節點，該節點會對發送的信息進行解析，完成相應的功能。而另一功能則是接收采集節點發送的濃度信息，通過對該濃度信息進行分析，并通過數碼管及上位機系統顯示，同時，當瓦斯濃度超標時，則會通過聲光電的形式進行預警[10]。

5 應用效果

從上面的描述可知，該瓦斯監控系統主要是通過無線傳感器網絡實現的，由硬件及軟件兩部分組成，通過系統的測試，可以實現其瓦斯濃度監測功能，下面給將進行傳統的檢測方式與該新型方式進行對比，其結果如表2所示。

表2 傳統監控系統與新型監控系統應用效果對比

根據表2的對比信息可知，該新型的瓦斯濃度監測系統的識別精度及速度遠遠優于傳統的檢測方式，具有一定的實用性，可進行大范圍推廣。

6 結語

瓦斯事故是煤礦安全生產中的常見事故，而傳統的檢測方式有著諸多的弊端，具有識別速度慢、精度低等問題。而基于無線傳感器系統的新型檢測系統能夠解決上述的弊端，它由硬件及軟件兩部分構成，當礦井內部的瓦斯氣體超標時，可以發出預警信號，提醒施工人員，保障了安全生產。該新型檢測系統可以通過無線進行數據傳輸，檢測精度較高，布線靈活，有效地避免了事故的發生，提高了煤礦開采的安全性。