安徽理工大學 王 磊
為了解決井下綜采工作面環(huán)境信息實時采集的問題,提出了一種將有線和無線技術相結合構建礦井遠程監(jiān)測系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)由井下綜采工作面信息采集及傳輸和地面中心站上位機系統(tǒng)組成,利用ZigBee組建無線傳感網絡對井下綜采工作面的瓦斯?jié)舛?、溫濕度、CO濃度及粉塵等環(huán)境參數(shù)進行實時采集和傳輸,LoRa用于將信息傳送至井下工業(yè)環(huán)網再由RS485傳輸?shù)降孛嬷行恼?。該系統(tǒng)將有線和無線技術結合,充分利用兩種技術的優(yōu)勢,相較于傳統(tǒng)礦井監(jiān)測系統(tǒng),具有功耗低、成本低、應用靈活等特點,具有一定的實用價值和推廣意義。
在煤礦開采過程中,以瓦斯泄漏為主的災害一直是亟待解決的重大問題,特別是我國在煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計和制造方面起步時間較晚,優(yōu)化的空間較大。
對當前礦井監(jiān)測系統(tǒng)分析得知,大部分是基于有線網絡建立的,有線網絡占用空間較大、井下布線繁瑣、監(jiān)測范圍有限和無法及時隨著掘進或回采的速度做到實時監(jiān)測到的效果。針對目前有線網絡在綜采工組面實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的局限性,常用的解決方法是基于ZigBee構建的無線傳感網絡,無線網絡具有靈活、可擴展性高等優(yōu)點,非常適合井下綜采工作面的實時環(huán)境參數(shù)的采集。本系統(tǒng)將ZigBee和LoRa無線技術及RS485總線相結合,組建一套對礦井綜采工作面環(huán)境信息實時采集的系統(tǒng)。
該系統(tǒng)是通過ZigBee組網,對井下綜采工作面環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測,并通過LoRa無線技術完成井下主巷道中ZigBee-LoRa協(xié)調節(jié)點與LoRa節(jié)點的長距離信息傳輸,最終通過RS485有線網絡將信息傳輸?shù)降孛嬷行恼尽S行У慕鉀Q了有線網絡對井下綜采工作面的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測不及時的問題,同時還解決了有線網絡井下布線困難的問題,提高煤礦生產的安全性和科學性。
是一種雙向的網絡技術與無線通訊技術,其正常工作頻段分別為868MHz、915MHz和2.4GHz,其數(shù)據傳輸率在10~250kbit/s之間,具有低速率、響應快、功耗低、網絡容量大、自動組網等特點,由于礦井環(huán)境監(jiān)測信息為緩變量,對監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據傳輸要求不高,ZigBee的低傳輸速率適用于井下的信息傳輸。
是一種超長距離低功耗數(shù)據傳輸技術,基于線性調頻擴頻調制技術,使得其通信距離明顯增加,單個網關在寬闊地帶最大能傳輸15km,工作頻率為ISM頻段,包括433MHz、868MHz、915MHz等,主要特點為低速率、低功耗及超遠距離通信。
(1)地面中心站
地面中心站的上位機系統(tǒng)完成對井下傳來的環(huán)境監(jiān)測信息進行處理及顯示,并通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據儲存在數(shù)據庫中,篩選有用數(shù)據顯示在監(jiān)控總站的大屏幕上。
(2)LoRa節(jié)點
接收ZigBee-LoRa協(xié)調節(jié)點發(fā)送過來的綜采工作面環(huán)境參數(shù)信息,經工業(yè)環(huán)網通過RS485接口傳輸?shù)降孛嬷行恼尽?/p>
(3)ZigBee-LoRa協(xié)調節(jié)點
ZigBee模塊接收傳感器傳輸過來的綜采面的環(huán)境信息,經MCU處理,若超限則觸發(fā)聲光報警,再經由LoRa模塊將信息傳輸至LoRa節(jié)點。
(4)傳感器
傳感器可以看作是整個監(jiān)測系統(tǒng)的“眼睛”,它的性能直接決定監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。因此,選型時需充分考慮傳感器能否在礦井惡劣環(huán)境中保持穩(wěn)定工作。
圖1 系統(tǒng)結構圖
傳感器選型:
a.MQ-2氣體傳感器。利用傳感器的電導率跟空氣中可燃性氣體的濃度成正比的原理來監(jiān)測瓦斯?jié)舛取?/p>
b.SHT11溫濕度傳感器。溫度監(jiān)測范圍在-40℃—128.3℃,濕度監(jiān)測范圍在0%RH—100%RH,測量精度達到0.01℃。(0.03%RH)。
c.ME2-CO一氧化碳傳感器。該傳感器是根據電化學的原理工作,通過測量電化學產生的電流大小來測量CO氣體濃度。
d.ZPH01粉塵傳感器。采用先進的PM2.5監(jiān)測機理,能監(jiān)測到1um以上灰塵顆粒物。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。
考慮到礦井內部環(huán)境的特殊性,現(xiàn)有的有線監(jiān)測隨著綜采工作面隨著回采的速度往前推進,難以做到對綜采工作面環(huán)境信息的實時監(jiān)測,為了解決該問題,設計了基于ZigBee-LoRa的無線傳感網絡監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)的設計是由若干ZigBee終端節(jié)點、ZigBee路由節(jié)點、ZigBee-LoRa匯聚節(jié)點、LoRa節(jié)點和地面監(jiān)控分站兩部分組成,如圖2所示。ZigBee組網選用網型網絡拓撲結構,如圖3所示。
ZigBee終端節(jié)點布置在綜采工作面的采煤設備上或工作人員隨身攜帶,完成對瓦斯、溫濕度、CO、粉塵等環(huán)境信息的采集和傳輸,經由ZigBee路由節(jié)點傳輸?shù)絑igBee-LoRa匯聚節(jié)點,經由匯聚節(jié)點的MCU對信息進行處理,若超限則觸發(fā)聲光報警,再由LoRa傳輸?shù)絃oRa節(jié)點,通過RS485傳至地面中心站,以便監(jiān)測人員對井下綜采工作面的環(huán)境參數(shù)實時觀察,若有突發(fā)事件可及時的作出決策。
圖2 節(jié)點布置圖
圖3 ZigBee網型網絡拓撲
綜采工作面的環(huán)境信息的采集和發(fā)送由ZigBee終端節(jié)點負責,為了減小終端節(jié)點的體積和重量,本系統(tǒng)采用ZigBee的CC2530芯片作為終端節(jié)點的主控芯片,該芯片集成了單片機、ADC、無線通信于一體,提高了單片機和無線通信的組合性,但需為芯片增加外圍電路來使得整個節(jié)點正常工作,同時外接MQ-2氣體傳感器、SHT11溫濕度傳感器、ME2-CO一氧化碳傳感器、ZPH01粉塵傳感器。如圖4所示。
圖4 ZigBee終端節(jié)點電氣連接圖
ZigBee路由節(jié)點的任務是將ZigBee終端節(jié)點收集的數(shù)據發(fā)送到ZigBee-LoRa的匯聚節(jié)點,節(jié)點的結構與終端節(jié)點類似,不需要外接傳感器即可,此處不再贅述。
圖5 ZigBee-LoRa協(xié)調節(jié)點電氣連接圖
ZigBee-LoRa協(xié)調節(jié)點作為整個系統(tǒng)監(jiān)測部分的核心,該節(jié)點的作用是完成將ZigBee終端節(jié)點傳輸過來的數(shù)據處理和發(fā)送,若瓦斯等環(huán)境因素超限則觸發(fā)節(jié)點的聲光報警功能,再通過串口經LoRa模塊將數(shù)據發(fā)送給LoRa匯聚節(jié)點。該節(jié)點主要有電源模塊、ZigBee模塊、LoRa模塊和STM32系列單片機組成,如圖5所示。STM32F103系列單片機使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC內核,工作頻率為72MHz,擁有增強型I/O,包括3個USART、兩個I2C和SPI和兩個12位ADC、1個USB和1個CAN。
圖6 LoRa節(jié)點電氣連接圖
該節(jié)點主要負責ZigBee-LoRa匯聚節(jié)點與地面中心站之間信息的中轉,該節(jié)點的主要模塊與ZigBee-LoRa匯聚節(jié)點類似,也是由STM32作為主控芯片,有電源模塊、LoRa模塊、RS485接口等模塊。如圖6所示。
系統(tǒng)軟件開發(fā)完成了基于ZigBee標準協(xié)議棧Z-Stack協(xié)議棧的網絡構建、設備接入網絡和數(shù)據收集。其開發(fā)工具采用的是IAR EWB開發(fā)環(huán)境調試運行,并且使用C語言作為應用程序的開發(fā)語言。
ZigBee終端節(jié)點主要任務是完成總采面環(huán)境因素的采集,每個節(jié)點都有一個唯一的地址。具體主要包括啟動采集節(jié)點模塊、查詢網絡、申請加入網絡、判斷是否超限、發(fā)送采集數(shù)據、接收指令等,軟件流程圖如圖7所示。
圖7 ZigBee終端節(jié)點軟件流程圖
ZigBee-LoRa協(xié)調節(jié)點的主控芯片選用STM32系列單片機,主要負責協(xié)調所有的路由節(jié)點和終端節(jié)點,主要工作為接收終端節(jié)點經路由節(jié)點所傳輸過來的環(huán)境信息,通過STM32系列主控制器對信息進行處理和發(fā)送,通過判斷瓦斯等環(huán)境參數(shù)是否超過設定值來觸發(fā)聲光報警功能,再通過串口將數(shù)據經LoRa模塊發(fā)送至LoRa匯聚節(jié)點,軟件流程圖如圖8所示。
LoRa節(jié)點結構較為簡單,主要的任務是接收匯聚節(jié)點無線發(fā)送過來的數(shù)據,再由RS485轉送到地面中心站,由于井下環(huán)境的特殊性,無線信號很難直接傳輸?shù)降孛?,需經由有線網絡充當媒介,將采集到的信息發(fā)送到地面中心站,該部分的軟件流程圖如圖9所示。
上位機軟件采用組態(tài)王6.55制作監(jiān)控界面,接收由ZigBee-LoRa協(xié)調節(jié)點傳輸過來的綜采工作面的環(huán)境參數(shù),有實時數(shù)據顯示、查詢和分析數(shù)據功能,還可以查詢歷史數(shù)據并對其分析,做出對綜采工作面環(huán)境參數(shù)變化的預測。
圖8 ZigBee-LoRa協(xié)調節(jié)點軟件連接圖
圖9 LoRa節(jié)點軟件連接圖
總結:本文運用有線加無線的技術實現(xiàn)礦井綜采工作面的實時環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的設計,將ZigBee和LoRa相結合構建整個系統(tǒng)的信息采集和傳輸部分,最后由RS485總線完成井下到井上地面中心站的信息傳輸。本系統(tǒng)可以減少有線網絡在井下電纜的鋪設,安裝方便,能減少成本,可跟隨綜采工作面的回采速度做到實時監(jiān)測的目的。但ZigBee和LoRa都屬于低功耗、低傳輸速率的無線技術,所以整個系統(tǒng)不適合用在要求數(shù)據傳輸快、實時性要求強的場合,如井下的音頻和視頻監(jiān)視系統(tǒng)。