蔣雪琴（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，四川 廣元 628017）

基于WSN煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

蔣雪琴
（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，四川 廣元 628017）

監(jiān)控系統(tǒng)是將電子技術(shù)硬件系統(tǒng)作為支撐，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，再將通信技術(shù)有機(jī)融合在一起的智能產(chǎn)品。將監(jiān)控系統(tǒng)用于生生活中時(shí)候，就可以稱(chēng)為安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。煤礦安全隱患以礦井瓦斯爆炸事故最為突出。國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)極為重視，鼓勵(lì)煤礦礦井中使用安全監(jiān)控系統(tǒng)，能做到提前預(yù)警，做好防護(hù)工作。

瓦斯爆炸；安全生產(chǎn)；監(jiān)控系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.051

0　前言

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)一般由三部分組成：①地面監(jiān)控中心（包括應(yīng)用軟件、計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備）；②傳輸設(shè)備（包括傳輸接口、分站、傳輸線(xiàn)、接線(xiàn)盒等）；③各種數(shù)據(jù)采集裝置。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是指對(duì)煤礦的瓦斯、風(fēng)速、一氧化碳、煙霧、溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，用計(jì)算機(jī)分析處理并取得數(shù)據(jù)的一種系統(tǒng)。本文就其中一個(gè)環(huán)境參數(shù)研究，提出了瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及方法。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求和原則

煤礦礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)是礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)集成的核心內(nèi)容，采用外國(guó)SCADA軟件，搭建監(jiān)控平臺(tái)。通過(guò)人機(jī)界面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)工況，并可對(duì)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的I/O進(jìn)行控制。通過(guò)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，可對(duì)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備狀況進(jìn)行分析、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)。為了給用戶(hù)提供方便，煤礦礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足六原則：統(tǒng)一化原則、數(shù)據(jù)持久性原則、業(yè)務(wù)流程合理化原則、系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)便捷性原則、穩(wěn)定性原則、經(jīng)濟(jì)性原則。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)服務(wù)保證整個(gè)系統(tǒng)全天24小時(shí)連續(xù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)分析。

2　系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用C/S三層架構(gòu)模式。包含數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層三層模式。該系統(tǒng)架構(gòu)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、刪除、查找等操作；對(duì)業(yè)務(wù)規(guī)則制定，實(shí)現(xiàn)等操作；用于顯示數(shù)據(jù)和接受用戶(hù)輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)交換和外觀(guān)展現(xiàn)，為用戶(hù)提供交互式操作界面。因此本系統(tǒng)采用這樣的架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心設(shè)備、傳輸設(shè)備、各種傳感器組成。

監(jiān)控中心監(jiān)控設(shè)備包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、交換機(jī)、打印設(shè)備、電源及避雷器等設(shè)備。系統(tǒng)采用分布式處理模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可操作性強(qiáng)，便于系統(tǒng)的日常維護(hù)及管理。系統(tǒng)主干連接為樹(shù)型結(jié)構(gòu)，安裝擴(kuò)展簡(jiǎn)單。方案設(shè)計(jì)為分層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層：傳感器采集數(shù)據(jù)、A/D轉(zhuǎn)換、顯示與報(bào)警、斷電保護(hù)、提供電源、數(shù)據(jù)通信等工作。

傳輸平臺(tái)：工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸平臺(tái)。

應(yīng)用系統(tǒng)：地上監(jiān)控中心站，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)管理、分析處理、存儲(chǔ)、顯示、查詢(xún)等工作。地面監(jiān)控中心站及網(wǎng)絡(luò)終端等設(shè)備之間的連接采用局域網(wǎng)方式。

4　系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)需要達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，通信速率為100M，為多主并發(fā)，方式為工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)等指標(biāo)。

5　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)必須由硬件系統(tǒng)支撐，硬件電路主要包含瓦斯氣體采集電路、單片機(jī)控制電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、報(bào)警電路、顯示電路等。

（1）瓦斯氣體采集電路：瓦斯?jié)舛葴y(cè)試部分電路是由氣體傳感器MQ-4組成的，其作用是將瓦斯氣體的體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)并輸出來(lái)；（2）單片機(jī)控制電路：選用AT89S52作為單片機(jī)控制電路核心元件，不僅硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且價(jià)格又低、功能也強(qiáng)、性?xún)r(jià)比較高。能夠信號(hào)失真、電磁干擾等現(xiàn)象的發(fā)生，是因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)增加了高可靠性、安全性等功能，因此它在檢測(cè)瓦斯氣體時(shí)能夠滿(mǎn)足監(jiān)控、信息傳送等要求；（3）時(shí)鐘電路：AT89S52的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。本系統(tǒng)中采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式，為了盡量降低功耗的原則。單片機(jī)內(nèi)部具有時(shí)鐘震蕩電路，只需要外接時(shí)鐘震蕩電路驅(qū)動(dòng)，可改變單片機(jī)的工作頻率；（4）復(fù)位電路：復(fù)位電路在單片機(jī)工作中是必不可少的部件之一，單片機(jī)工作時(shí)必須處于一種確定的狀態(tài)。由于端口線(xiàn)電平和輸入輸出狀態(tài)的不確定可能會(huì)導(dǎo)致外圍設(shè)備誤動(dòng)作，以至于嚴(yán)重事故的發(fā)生；內(nèi)部一些控制寄存器的內(nèi)容不確定也可能會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器溢出、程序尚未開(kāi)始就要中斷及串口亂傳向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)；（5）電源電路：任何電路都離不開(kāi)電源部分。單片機(jī)需要電源才能工作。在本設(shè)計(jì)中是以AT89S52單片機(jī)為核心所設(shè)計(jì)的，它工作時(shí)需要用電源電路來(lái)驅(qū)動(dòng)；（6）報(bào)警電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)I/O帶負(fù)載能力低，需要在喇叭前端接入NPN三極管放大電信號(hào)，使喇叭發(fā)出的聲音更加響亮；（7）顯示電路：設(shè)計(jì)采用LCD顯示器件。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文總體需求分析入手，介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)模式、總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件電路。作為一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，要兼顧到信息間的聯(lián)系，如何為用戶(hù)提供方便，讓原本孤島信息，有效的結(jié)合在一起。

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