葉錦嬌

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京，100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013）

工作面無(wú)線甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

葉錦嬌1，2，3

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京，100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心 北京 100013）

本文針對(duì)工作面環(huán)境惡劣，甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線纜經(jīng)常被砸斷的問(wèn)題，研究采用ZigBee無(wú)線技術(shù)和CAN總線通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套工作面無(wú)線甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括無(wú)線紅外甲烷傳感器、監(jiān)控分站、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)軟件。達(dá)到工作面和上隅角瓦斯的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和分析，當(dāng)瓦斯超限時(shí)，分站控制斷電器對(duì)采區(qū)供電設(shè)備斷電，實(shí)現(xiàn)瓦斯電閉鎖的目的。

煤礦；上隅角；無(wú)線；甲烷；傳感器；監(jiān)測(cè)

由于煤礦生產(chǎn)條件十分復(fù)雜，井下環(huán)境惡劣，尤其是在綜采工作面，狹窄的工作空間，布置大量的設(shè)備和線纜，瓦斯極易積聚在上隅角，從而引發(fā)瓦斯超限安全事故[1]。近年來(lái)，為預(yù)防煤礦瓦斯事故發(fā)生，國(guó)內(nèi)許多科研單位研制了一系列煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)煤礦安全起到了較大作用。但這些系統(tǒng)大都采用有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳感器到分站采用頻率或電流等模擬信號(hào)傳輸，這種方式大大限制了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜條件的應(yīng)用，且容易因電磁輻射等干擾造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤[2]。雖然新的安全規(guī)程要求實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的全部數(shù)字化，但是在工作面頻繁移動(dòng)的情況下，極易把線纜扯斷，甚至有的因巖爆把線纜砸斷，造成監(jiān)測(cè)中斷?？傊芯€監(jiān)測(cè)方式在工作面等復(fù)雜惡劣條件下很難長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行[3]。

文中在綜合國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，提出基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的面向綜采工作面的礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用煤礦安全監(jiān)控技術(shù)、本安防爆技術(shù)、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAN總線技術(shù)、嵌入式微計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面瓦斯情況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，在工作面尤其上隅角瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，及時(shí)對(duì)工作面用電設(shè)備進(jìn)行斷電操作，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。另外，采煤機(jī)司機(jī)通過(guò)無(wú)線終端設(shè)備也可實(shí)時(shí)了解工作面瓦斯?jié)舛惹闆r，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免超限事故發(fā)生。

1 井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，目前已普遍應(yīng)用于交通、市政、工業(yè)等領(lǐng)域，該技術(shù)應(yīng)用符合 《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》的要求[4]。該技術(shù)是綜合了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、低功耗等技術(shù)于一體的特定場(chǎng)合應(yīng)用的一種智能信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同的空間而組成。其中，ZigBee就是在上述理論思想上發(fā)展起來(lái)的一種非常成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是，應(yīng)用現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)可以把節(jié)點(diǎn)做到非常廉價(jià)便宜，從而大大擴(kuò)展了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。而且，其技術(shù)復(fù)雜性較低，功耗也小，使其在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

鑒于ZigBee技術(shù)的各種優(yōu)勢(shì)，十分適合用于組建煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文在結(jié)合煤礦實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滿足井下復(fù)雜環(huán)境工作面和巷道等長(zhǎng)距離多測(cè)點(diǎn)的應(yīng)用情況[6]。設(shè)計(jì)煤礦無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，A到E各點(diǎn)為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)完成網(wǎng)絡(luò)的組建和管理。在組網(wǎng)成功后，各傳感器節(jié)點(diǎn)按照定好的路由算法，自動(dòng)尋找最優(yōu)路徑把自身數(shù)據(jù)通過(guò)單跳或多跳的方式傳送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。如圖中A點(diǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)和E點(diǎn)路徑最終到達(dá)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)整理打包發(fā)送給上級(jí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并最終傳送給上位機(jī)監(jiān)控中心，從而完成一次數(shù)據(jù)傳送任務(wù)[7]。

圖1 煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 無(wú)線傳感器低功耗技術(shù)研究

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要能成功的應(yīng)用，除了通訊可靠外，另一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是節(jié)點(diǎn)要能長(zhǎng)時(shí)間的工作。如果頻繁的更換電池來(lái)維持網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，大大增加了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工作量，是十分不科學(xué)的。因此，本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗進(jìn)行分析，應(yīng)用低功耗的設(shè)計(jì)技術(shù)，降低節(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗，使網(wǎng)絡(luò)以最少的能量損耗完成盡可能多的工作，從而達(dá)到最優(yōu)的能量管理和控制，提高節(jié)點(diǎn)電池使用壽命[8]。

1）無(wú)線通訊方面

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗大部分都是在通訊階段消耗的，其中能量消耗最大的是發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)期，休眠階段的能量損耗最少，能量損耗居中的是在等待和數(shù)據(jù)接收的時(shí)期，比數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻能量消耗略少。因此，降低數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間，提高收發(fā)數(shù)據(jù)效率，是降低網(wǎng)絡(luò)能量損耗的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路由算法，降低組網(wǎng)和收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間，在通訊一次完成后，使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，從而大大降低了節(jié)點(diǎn)能量消耗，顯著提高節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間[9]。

2）硬件設(shè)計(jì)方面

節(jié)點(diǎn)硬件低功耗設(shè)計(jì)包括探頭、處理器、電源和顯示等硬件設(shè)備。盡量在滿足功能和精度的情況下選擇電量小的探頭元件，并設(shè)計(jì)測(cè)量電路和元件的供電電源管理；選擇工作電壓低、功耗低且支持睡眠模式的處理器；顯示上盡量選取小尺寸液晶屏；設(shè)計(jì)各功能模塊的電源管理，在不需要某模塊功能時(shí)及時(shí)關(guān)閉該部分電源；在其他元件選擇及電路板設(shè)計(jì)上也要遵循低功耗的設(shè)計(jì)[10]。

3）軟件設(shè)計(jì)方面

事件處理盡量采用中斷處理方式，采用查表法進(jìn)行數(shù)值分析，降低處理器的工作時(shí)間；在空閑時(shí)，系統(tǒng)控制處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)；優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)，提高代碼的執(zhí)行效率；優(yōu)化無(wú)線路由算法，提高通訊效率。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括無(wú)線甲烷傳感器、無(wú)線中繼、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控分站、開(kāi)停傳感器、斷電控制器、隔爆兼本安型電源箱和上位機(jī)監(jiān)控軟件等[11]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工作面全方位甲烷濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè) （尤其是瓦斯特別容易積聚的上隅角位置），避免了監(jiān)測(cè)的盲區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在瓦斯?jié)舛戎鸩缴仙内厔?shì)，且到達(dá)一定的數(shù)值時(shí)，即提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員，并在上位機(jī)發(fā)出警告，以便現(xiàn)場(chǎng)和安全管理人員采取相應(yīng)的安全措施。另外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有瓦斯超限發(fā)生時(shí)，及時(shí)采取工作面用電設(shè)備斷電的安全措施，以免安全事故的發(fā)生。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

當(dāng)各設(shè)備上電后，無(wú)線網(wǎng)關(guān)控制各傳感器節(jié)點(diǎn)完成組網(wǎng)工作 （如有的地方節(jié)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)無(wú)法形成網(wǎng)絡(luò)，可以增加無(wú)線中繼設(shè)備），各節(jié)點(diǎn)即啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。子節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由算法確定的路徑向父節(jié)點(diǎn)逐級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)傳感器發(fā)送自身數(shù)據(jù)的同時(shí)，也擔(dān)當(dāng)著其它節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的中繼工作，當(dāng)各組成節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)關(guān)，本次數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)即宣告完成，各節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入休眠狀態(tài)。無(wú)線網(wǎng)關(guān)把各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，然后通過(guò)CAN總線的方式發(fā)送到監(jiān)控分站，分站對(duì)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷各節(jié)點(diǎn)的甲烷濃度是否超限，如達(dá)到超限數(shù)值，即控制斷電器對(duì)局部或整個(gè)工作面的用電設(shè)備斷電，并實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備開(kāi)停傳感器，判斷斷電是否正常。當(dāng)甲烷濃度都恢復(fù)正常時(shí)，監(jiān)控分站也會(huì)自動(dòng)控制斷電器復(fù)電，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制的自動(dòng)化。

監(jiān)控分站具備本地存儲(chǔ)功能，在上位機(jī)通訊中斷5分鐘后，當(dāng)甲烷數(shù)據(jù)不變的情況下每隔5分鐘固定保存一次甲烷數(shù)值，如果數(shù)據(jù)發(fā)生變化則進(jìn)行自動(dòng)保存，并且保存采煤機(jī)斷電和開(kāi)停狀態(tài)。監(jiān)控分站保存的歷史數(shù)據(jù)，在上位機(jī)通訊恢復(fù)正常后，自動(dòng)上傳到上位機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 紅外甲烷傳感器設(shè)計(jì)

研發(fā)的紅外甲烷傳感器用于煤礦井下場(chǎng)所環(huán)境甲烷濃度的連續(xù)監(jiān)測(cè)，具備液晶顯示、紅外遙控、聲光報(bào)警、無(wú)線通訊等功能[12]。該儀器設(shè)計(jì)采用紅外元件作為檢測(cè)甲烷含量的敏感元件，紅外元件隨著被測(cè)氣體中甲烷濃度的變化，其對(duì)應(yīng)的紅外特性吸收波長(zhǎng)吸收率也成規(guī)律變化，即實(shí)現(xiàn)了甲烷濃度的準(zhǔn)確測(cè)量[13]。

儀器設(shè)計(jì)由單片機(jī)作為控制核心，控制采集電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，并把檢測(cè)結(jié)果通過(guò)計(jì)算得出相對(duì)應(yīng)的甲烷濃度值。另外，單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和超限報(bào)警功能，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)發(fā)送給上級(jí)管理單元，再逐級(jí)上傳到上位機(jī)管理軟件。紅外遙控功能用于實(shí)現(xiàn)傳感器報(bào)警值的設(shè)定和傳感器標(biāo)定等。傳感器的整機(jī)電路框圖如圖3所示。

5 無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)組網(wǎng)的核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，與監(jiān)控分站采用CAN總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)有液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)情況和節(jié)點(diǎn)傳感器上傳的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)供電采用與監(jiān)控分站配接的隔爆兼本安型電源箱[14]。

圖3 傳感器整機(jī)電路框圖

網(wǎng)關(guān)無(wú)線管理模塊采用ATMega1281和ATRF230芯片設(shè)計(jì)，管理控制單元采用STM32F107芯片，網(wǎng)關(guān)工作原理框圖如圖4所示。ATmega1281與AT86RF230之間通過(guò)SPI接口以及其他四條控制線進(jìn)行通信與控制操作。STM32與Atmega1281通過(guò)RS232串口通信，STM32將獲取的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)按照CAN總線幀的格式進(jìn)行打包，然后通過(guò)CAN總線接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控分站[15]。

圖4 網(wǎng)關(guān)工作原理圖

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備存在兩大特性：數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大，同時(shí)存在多個(gè)需要完成的邏輯命令，要求系統(tǒng)能夠快速高效完成上述任務(wù)。本文采用uCOS嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)包括輕線程、主動(dòng)消息發(fā)送、事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制、組件化程序設(shè)計(jì)。uCOS的并行處理能力在任務(wù)執(zhí)行和中斷事件處理中得到體現(xiàn)。系統(tǒng)添加一個(gè)FIFO隊(duì)列到任務(wù)中，任務(wù)執(zhí)行中相互之間不產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)；中斷程序具有較高優(yōu)先級(jí)。設(shè)計(jì)uCOS通過(guò)二級(jí)調(diào)度機(jī)制完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。

6 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的工作面無(wú)線甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的無(wú)線化傳輸，并且實(shí)現(xiàn)了上隅角瓦斯的監(jiān)測(cè)，避免了監(jiān)測(cè)盲區(qū)。工作面空間狹小、環(huán)境惡略，無(wú)線監(jiān)測(cè)便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝和維護(hù)，提高了系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)應(yīng)用在司馬煤業(yè)有限公司綜采工作面，取得了很好的效果。

[1]黃瑩.淺談瓦斯電閉鎖設(shè)置在礦井中的重要性[J].

中國(guó)科技博覽，2012（5）:9-9.

[2]林羽婕，唐巧妍，高麗麗.無(wú)線礦用瓦斯傳感器的市場(chǎng)前景分析[J].科技傳播， 2013（1）:172-173.

[3]楊景輝.基于Zigbee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].西安:西安科技大學(xué)，2011.

[4]孫智剛，孫光.基于WSNs的礦井瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].山東煤炭科技，2012（5）:182-184.

[5]虞致國(guó)，魏斌，萬(wàn)書(shū)芹，等.面向多傳感器模塊接入的低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) [J].電子與封裝，2011（10）：23-27.

[6]熊迎軍，沈明霞，陸明洲，等.溫室無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合算法 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（23）:160-166.

[7]孫利民，張遠(yuǎn)，劉慶超，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[8]曹 源，徐曉輝，王 停，等.面向多傳感器接入的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的研究 [J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，（15）:135-137.

[9]何劍海.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)在農(nóng)田復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2013（2）:187-188.

[10]王培東，李強(qiáng).無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能方法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011（5）：60-63.

[11]陳繼海，魏曉慧.基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2012（10）：29-31.

[12]袁少博，楊誠(chéng)，花梅.無(wú)線傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息通信，2011（5）:41-42.

[13]劉 佶，徐 群.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在油田信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（5）:157-160.

[14]溫良.基于AT86RF230煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2011（8）:225-227.

[15]尹晶晶，吳怡之.一種低功耗無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（13）:67-69.

Design of wireless methane monitoring system in working face

YE Jin-jiao1，2，3
（1.China Coal Research Institute， Beijing 100013，China； 2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing，100013， China； 3.Research Center of Mine Safety Engineering and Technology， beijing 100013，China）

In the light of the working surface environment is poor，methane monitoring system cable often smashed problem.This paper studies the use of ZigBee wireless technology and CAN bus communication technology，and a set of working face wireless methane monitoring system is designed.The system includes a wireless infrared methane sensor， monitoring station， wireless gateway and PC software.It realizes the real-time online monitoring and analysis of the working surface and the upper corner gas.When the gas is out of limit，substation control cut the supply equipment power.Function of realizing gas electric locking.

coal mine；the upper corner； wireless； methane；sensor； monitor

TN92

A

1674－6236（2017）12-0065-03

2016-08-26稿件編號(hào)：201608203

煤炭科學(xué)技術(shù)研究院技術(shù)創(chuàng)新基金（2014CX25）

葉錦嬌（1979—），女，廣東惠州人，碩士研究生，副研究員。研究方向：煤礦井下傳感器的開(kāi)發(fā)與研究。