馬　潔

(寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞　721000)

1　概　述

采礦行業(yè)作為危險(xiǎn)性較高的行業(yè)之一，提升礦井安全性是國(guó)家相關(guān)安全管理部門對(duì)采礦單位的基本要求。然而對(duì)以往礦難的分析可得出，人為錯(cuò)誤造成的損害占了較大的比例；問題主要在于工作人員對(duì)地下環(huán)境的不熟悉，從而在施工過程中出現(xiàn)透水、塌方等事故。通常在采礦開采管理過程中，井下檢測(cè)作為下井前的必要管理過程，傳統(tǒng)的方法是通過個(gè)人下井檢測(cè)記錄，并形成記錄報(bào)告確定當(dāng)前是否滿足開采條件，該方式實(shí)時(shí)性較差，并且對(duì)于一些隱患問題很難覺察到，因此該方法雖然能發(fā)現(xiàn)以下前期的較大的危險(xiǎn)源，但是對(duì)于礦井實(shí)時(shí)環(huán)境的檢測(cè)存在較大的差異。隨著科技的提升，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用多傳感器檢測(cè)礦井的實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)，這樣就能夠?yàn)榫瞎芾砣藛T提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，為井下工作提供可靠的管理支撐[1-3]。

根據(jù)目前的估計(jì)，全球60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的礦藏開采過程中造成的人員傷亡有近2萬多人，越來越多的國(guó)家意識(shí)到利用科技手段解決礦井開采過程中危險(xiǎn)因素的辨識(shí)是降低礦難的最有效手段。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套礦井探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的任務(wù)探測(cè)針，利用傳感器、無線通信技術(shù)形成一個(gè)綜合的礦井探測(cè)系統(tǒng)，為管理人員已經(jīng)運(yùn)行人員提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的井下數(shù)據(jù)[4]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于礦井探測(cè)系統(tǒng)的研究已有了較大的成果。Henriques等人[5]建立了一套安全系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)采礦環(huán)境的環(huán)境特征，通過集成氣體和灰塵傳感器，對(duì)井下的開采環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳，但是系統(tǒng)的準(zhǔn)確度有待提高；通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)礦工的健康狀況更好地幫助事故發(fā)生后的搜救工作，開發(fā)了基于ZigBee的煤礦安全系統(tǒng)[6]；基于隨機(jī)決策樹模型，采用Hoeffding Bounds不等式和信息熵代替隨機(jī)選擇來確定分割點(diǎn)，并使用Hoeffding Bounds不等式檢測(cè)概念漂移所確定的閾值構(gòu)建了一套安全的傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]；采用采用危害理論、系統(tǒng)安全和風(fēng)險(xiǎn)分析理論對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選，采用層次分析法和均方誤差法確定各指標(biāo)權(quán)重，建立綜合評(píng)價(jià)體系[8]；充分考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗問題，利用Zigbee模塊提供低數(shù)據(jù)速率，以實(shí)現(xiàn)短覆蓋和長(zhǎng)電池壽命[9]；Pan等人[10]以焦作煤業(yè)集團(tuán)物聯(lián)網(wǎng)在焦作煤業(yè)集團(tuán)的應(yīng)用現(xiàn)狀為例，給出了影響煤礦物聯(lián)網(wǎng)可靠性的關(guān)鍵因素，并提出了建議。其他的相關(guān)研究均在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能、組網(wǎng)以及傳感器技術(shù)等方面進(jìn)行了深入的研究，通過均結(jié)合煤礦的實(shí)際開采進(jìn)行了案例分析。在煤企的安全建設(shè)資金的支持下，作者有幸參與了利用物聯(lián)網(wǎng)的礦井探測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，主要在對(duì)相關(guān)的傳感器原理研究的基礎(chǔ)上搭建了該探測(cè)系統(tǒng)，文中以下內(nèi)容主要對(duì)相關(guān)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了降低井下環(huán)境對(duì)采礦工人的身體的危害影響，利用基于物聯(lián)網(wǎng)手段對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，從而構(gòu)建一套專業(yè)的探測(cè)系統(tǒng)完成職業(yè)健康和安全的保障，如圖1所示為常見的危險(xiǎn)因素轉(zhuǎn)化的條件狀態(tài)圖。

圖1　危險(xiǎn)因素轉(zhuǎn)換條件狀態(tài)圖

系統(tǒng)由溫度，濕度，空氣流量，CO/CO2，甲烷氣體等傳感器作為感知源，采用ARM7 LPC2138控制器板配置LCD 16×2顯示屏實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用ZigBee模塊與ARM7 UART接口，與PC/筆記本電腦的UART接口進(jìn)行互連指令上傳/數(shù)據(jù)下載，主要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)探測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

2.1　系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

該監(jiān)控系統(tǒng)包含板卡(Arduino板卡，Xbee模塊，Zigbee USB接口板卡)，LCD(液晶顯示器)，各種傳感器等小型電子元器件；系統(tǒng)使用兩個(gè)光電耦合器形成全隔離的繼電器驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)繼電器用于在危險(xiǎn)時(shí)激活警報(bào)系統(tǒng)，另一個(gè)用于在發(fā)生火災(zāi)或煙霧檢測(cè)時(shí)提供水泵開/關(guān)控制。

ZigBee USB接口模塊用于連接Xbee無線模塊和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該電路板用于連接ZigBee模塊，以實(shí)現(xiàn)PC與PC或筆記本電腦，PC與機(jī)械裝配或機(jī)器人，PC與嵌入式和基于微控制器的電路之間的通信。 由于ZigBee通過串行方式進(jìn)行通信，因此連接到PC的USB的另一端，被視為用于串行通信的COM端口，同時(shí)配有指示燈，方便系統(tǒng)運(yùn)行過程中使用。

通過利用板卡將溫度傳感器、濕度傳感器、CO傳感器以及瓦斯傳感器等進(jìn)行集成，以下將分別對(duì)各傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.2　溫度傳感器設(shè)計(jì)

探測(cè)系統(tǒng)的溫度感測(cè)由LM35集成，插入信號(hào)調(diào)節(jié)模塊以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臏囟染€性測(cè)量，為了測(cè)量目的，溫度塊的輸出電壓被施加到Arm控制器的ADC1C0。溫度傳感器(原理見圖2)對(duì)井下作業(yè)過程中是否存在內(nèi)燃現(xiàn)象有最為直觀的數(shù)據(jù)支撐。

圖2　溫度傳感器實(shí)現(xiàn)原理圖

2.3　濕度傳感器設(shè)計(jì)

濕度傳感器的典型電流為200 A，非常適合電池供電的系統(tǒng)。該傳感器根據(jù)暴露于傳感器的環(huán)境水蒸汽產(chǎn)生變化的電壓，傳感器產(chǎn)生的輸出電壓范圍為0.8～3.8 V。濕度傳感器對(duì)于井下是否發(fā)生透水前兆有著直接的數(shù)據(jù)支撐。如圖3所示為濕度傳感器的實(shí)現(xiàn)原理圖。

圖3　濕度傳感器工作原理圖

2.4　CO傳感器設(shè)計(jì)

CO探測(cè)直接關(guān)乎井下礦工的生命安全，而對(duì)于氣體的準(zhǔn)確性測(cè)量一直是業(yè)界具有挑戰(zhàn)性的工作，市場(chǎng)上有各種型號(hào)的氣體傳感器，而半導(dǎo)體傳感器被認(rèn)為具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高、成本低、壽命長(zhǎng)、對(duì)濕度的依賴性小、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。傳感器電阻與濃度以ppm(C)表示的CO氣體由下式表示。

其中Rs表示傳感器的電阻，R0是ppm為0時(shí)傳感器的電阻，K是傳感器的特定常數(shù)，C是以ppm為單位的氣體濃度。

如圖4所示為CO傳感器的設(shè)計(jì)原理圖，該傳感器主要對(duì)礦井中瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

圖4　CO傳感器工作原理圖

2.5　空氣流量傳感器

空氣流量傳感器是基于開槽光學(xué)開關(guān)和3杯風(fēng)速計(jì)的原理建立的。因此，該功能單元將分為兩部分進(jìn)行討論，一部分用于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)電子部件，另一部分用于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)機(jī)械杯式風(fēng)速計(jì)，如圖5所示為空氣流傳感器的工作原理圖?？諝饬髁總鞲衅髦饕獙?duì)礦井下氣流的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行檢測(cè)，以判別是否存在通風(fēng)不暢的情況。

圖5　空氣流傳感器工作原理圖

2.6　系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按照遠(yuǎn)程檢測(cè)的方式可通過界面控制的方式對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，具備以下特點(diǎn)：

1)使用的傳感器靈敏度高，易于操作；

2)系統(tǒng)成本低，系統(tǒng)操作模式更為自動(dòng)化；

3)閉環(huán)設(shè)計(jì)—防止任何外界干擾的機(jī)會(huì)；

4)低維護(hù)和低功耗；

5)通過對(duì)周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行微小的改變，可以用于不同的行業(yè)領(lǐng)域；

6)提供一個(gè)用戶友好的界面，因此技術(shù)功能更易操作。

3　結(jié)　語(yǔ)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將提升了煤礦的安全性，這是由于采用無線通信方式避免重新布線，提高了煤礦安全系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芎托?。本文主要介紹了礦井探測(cè)過程中利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要架構(gòu)，并對(duì)主要使用的傳感器的工作原理進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)每類型傳感器在礦井檢測(cè)過程中的用處進(jìn)行了概述。