王 鵬，蘇新彥，姚金杰

(中北大學 信息探測與處理技術研究所，山西 太原 030051)

煤炭作為我國的主要能源，煤礦安全生產(chǎn)深受國家的重視。在近年來的煤礦事故案例中，絕大多數(shù)都是由于井下瓦斯爆炸所引起的，所以實時的掌握井下瓦斯?jié)舛葼顟B(tài)，能夠極大的減少煤礦事故的發(fā)生。隨著計算機技術的不斷發(fā)展和傳感器技術、無線通信技術的日益進步，礦井安全預警系統(tǒng)進入了高速、便捷的新階段。

目前我國大多數(shù)礦井仍在使用光纜或電纜這種有線的傳輸信號方式，而有線方式價格昂貴、鋪設復雜、覆蓋面窄，并且如果部分線路損壞則將可能影響整個系統(tǒng)的正常使用。目前所使用的無線傳輸方式主要是透地通信技術與遠距離的射頻感應，而這種方式具有網(wǎng)絡功耗過大、數(shù)據(jù)容易堵塞和監(jiān)測數(shù)據(jù)不準等缺點。針對這些問題，提出了基于ANT技術的礦井安全預警系統(tǒng)，其具有低功耗、易組網(wǎng)、成本低、好擴展、維護方便等特點，具有很強的實用性和參考價值。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)按照采掘工作面劃分為不同的工作區(qū)域，在每個工作區(qū)域中，安全預警系統(tǒng)，主要由傳感器節(jié)點、中心節(jié)點、監(jiān)控中心組成。其中傳感器節(jié)點作為整個系統(tǒng)的終端節(jié)點，主要是負責收集工作區(qū)域內空氣中的瓦斯?jié)舛润w積比，并經(jīng)過初步的處理之后，采用樹形拓撲結構與中心節(jié)點進行無線數(shù)據(jù)通信;中心節(jié)點，作為匯集工作區(qū)域內各個傳感器所發(fā)的數(shù)據(jù)處理和中轉站，通過ANT 無線網(wǎng)絡與監(jiān)控中心進行實時的數(shù)據(jù)通信，及時有效的把井內瓦斯?jié)舛惹闆r上傳給監(jiān)控中心電腦，中心電腦通過軟件可以實現(xiàn)對中心節(jié)點所傳數(shù)據(jù)進行分析，隨時監(jiān)測礦井中瓦斯?jié)舛鹊淖兓?。系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和初步處理節(jié)點，主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理存儲單元、數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元、報警單元和電源供給單元組成，其結構如圖2 所示。

圖2 傳感器節(jié)點硬件結構圖

數(shù)據(jù)采集單元由瓦斯感傳感器模塊構成，傳感器模塊將采集的瓦斯?jié)舛刃畔⑥D化為電壓信號，瓦斯?jié)舛扰c電壓成正比例關系。傳感器模塊輸出的電壓信號連接到微處理器的模數(shù)轉換通道，并由處理器進行采樣和轉換。當?shù)V井內工作區(qū)域的瓦斯?jié)舛润w積分數(shù)超過1%時，傳感器節(jié)點開始報警。

2.2 中心節(jié)點設計

中心節(jié)點是整個系統(tǒng)的處理和中轉站，把從傳感器收集來的數(shù)據(jù)，進行處理并通過無線傳輸?shù)姆绞?，傳輸給監(jiān)控中心的電腦。其主要由數(shù)據(jù)無線接收單元、數(shù)據(jù)處理存儲單元、數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元、電源供給單元組成。其結構如圖3所示。

圖3 中心節(jié)點的硬件結構圖

數(shù)據(jù)無線接收單元和發(fā)送單元，均由ANT 模塊組成，其中接收單元只是接收來自工作區(qū)域內各個傳感器所發(fā)送的瓦斯?jié)舛刃畔?，而發(fā)送單元，只是把各個傳感器傳來的瓦斯?jié)舛染C合處理之后，發(fā)送給地面監(jiān)控中心。

3 軟件設計

3.1 傳感器節(jié)點軟件設計

傳感器節(jié)點的程序主要完成:在系統(tǒng)初始化和網(wǎng)絡初始化后，傳感器開始采集并存儲數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過簡單處理后把數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點或者采用多跳方式通過附近的其他傳感器節(jié)點與中心節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。其程序流程圖如圖4 所示。

圖4 傳感器節(jié)點程序流程圖

在單片機和ANT 初始化完成之后，首先單片機進入休眠狀態(tài)，當休眠時間到達設定秒，傳感器節(jié)點開始工作，傳感器對礦井中瓦斯?jié)舛冗M行數(shù)據(jù)采集且轉換為電壓信號，并將上述電壓信號分別連接到處理器的引腳上，輪流對通道的數(shù)據(jù)進行采集。數(shù)據(jù)采集完成后，傳感器節(jié)點將瓦斯?jié)舛纫詳?shù)據(jù)包的形式傳送到該區(qū)域的中心節(jié)點。而傳感器節(jié)點也同時對采集到的濃度信息進行處理分析，如果瓦斯?jié)舛瘸^安全閾值，則報警器開始報警。

3.2 中心節(jié)點軟件設計

中心節(jié)點的主要任務是匯集工作區(qū)域內各個傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，把所收集的數(shù)據(jù)進行處理之后發(fā)送給監(jiān)控中心。中心節(jié)點程序流程圖如圖5 所示。

在單片機和ANT 初始化完成之后，ANT 接收模塊打開通道，等待傳感器數(shù)據(jù)的傳送，如果有數(shù)據(jù)發(fā)送則中心節(jié)點開始接收并處理儲存，然后再發(fā)送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)進行分析。

圖5 中心節(jié)點程序流程圖

3.3 監(jiān)控中心軟件

監(jiān)控中心軟件主要用于瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)處理和分析，基于LABWINDOWS 實驗，主要任務包括串口通信的收發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的顯示。數(shù)據(jù)顯示通過監(jiān)控軟件界面可定時顯示各個監(jiān)測點的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，并且能夠設定報警瓦斯?jié)舛乳撝?，當濃度超過閾值范圍則發(fā)出報警聲，同時將接收的瓦斯?jié)舛刃畔⒓皶r間保存到電腦數(shù)據(jù)庫便于以后對數(shù)據(jù)進行查詢和分析，其測試軟件圖如圖6 所示。

圖6 測試軟件截圖

4 結束語

本文提出的基于ANT 技術的礦井無線安全預警系統(tǒng)的設計，可以實現(xiàn)超低功耗狀態(tài)下采集工作區(qū)域內的瓦斯?jié)舛?，并通過監(jiān)控中心對其監(jiān)測、記錄并且進行有效分析和合理判斷，可實現(xiàn)對礦井工作區(qū)域的瓦斯?jié)舛冗M行遠程監(jiān)控。由于ANT 技術傳輸性能和功耗都優(yōu)于其他無線傳輸方式，所以這種技術手段可以有效地節(jié)省資源，同時采用的樹形拓撲結構也大大降低了系統(tǒng)的維護難度。系統(tǒng)能夠更換不同的傳感器來監(jiān)測工作區(qū)域內其他的環(huán)境參數(shù)(如濕度、溫度、有毒氣體等)，通用性比較強。

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