吳小文

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦行業(yè)的整頓與改革，煤礦井下安全問題的要求越來(lái)越高，必須引起高度重視[1-2]。煤礦井下安全事故發(fā)生時(shí)的第一要?jiǎng)?wù)就是搜救遇難礦工，但是煤礦井下環(huán)境條件較為惡劣，礦難出現(xiàn)之后的人員搜救工作極為困難，經(jīng)常錯(cuò)過礦工最佳的救援時(shí)間，導(dǎo)致更多悲劇的發(fā)生[3-5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，極大的推動(dòng)了我國(guó)無(wú)線通訊技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用，尤其是ZigBee技術(shù)，因其具有低能耗、低速率、低成本等優(yōu)點(diǎn)，得到了各界人士的廣泛認(rèn)可[6]。因此基于上述事實(shí)和技術(shù)，開發(fā)煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦工位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)于提高礦井事故的處理效率，保證礦工人身安全具有重要的意義。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需要充分考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可行性，新元煤礦提出的具體要求如下：①無(wú)線傳感信號(hào)要足夠強(qiáng)且運(yùn)行穩(wěn)定，具有很好的穿透性和抗干擾能力；②以太網(wǎng)通信具有足夠的帶寬和較快的傳輸速度，確保監(jiān)控系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性；③井下工作人員隨身攜帶的位置傳感器具有超強(qiáng)的帶電能力和低能耗特點(diǎn)；④測(cè)量設(shè)備選擇時(shí)控制成本，盡量達(dá)到低成本即可滿足系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性；⑤監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性，確保系統(tǒng)能夠進(jìn)行升級(jí)改造，延長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命，實(shí)現(xiàn)利益的最大化；⑥監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的環(huán)境適應(yīng)性和操作的靈活性，能夠根據(jù)井下實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的分析和處理，為相關(guān)工作人員提供技術(shù)參考。

2 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

新元煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)采集層、以以太網(wǎng)為主的數(shù)據(jù)傳輸層和頂層的數(shù)據(jù)處理監(jiān)控層3部分。底層數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)主要是由各種傳感器、影像采集裝置等完成，如溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)壓傳感器、紅外攝像頭等，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。中間數(shù)據(jù)傳輸層的任務(wù)是完成井下采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的向上傳輸與反饋，主要通過工業(yè)以太網(wǎng)完成，各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信息采集主要運(yùn)用的是ZigBee技術(shù)。頂層數(shù)據(jù)處理監(jiān)控層主要完成井下數(shù)據(jù)和視頻信息的處理計(jì)算，將實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示；同時(shí)，監(jiān)控人員能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)對(duì)井下發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)方案

該井下安全監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：不僅能夠單獨(dú)布線實(shí)施，還能基于現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，此處采用后者完成安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置，不僅能夠提高井下作業(yè)環(huán)境的安全性，還能節(jié)約大量的成本投入。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)作為井下監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，改造設(shè)計(jì)過程中為了能夠滿足企業(yè)需求，在現(xiàn)有傳感器等硬件基礎(chǔ)之上重點(diǎn)開展了以下工作。

3.1.1 主控芯片

很多芯片都是存在2種集成方式的，其中之一是主控芯片與外圍電路不在一起，工程師可以自由配置；還有一種是主控芯片與其下級(jí)電路進(jìn)行集成，減少電路空間需求，提高芯片的集成度，保證其具有很好的適應(yīng)性。德州儀器生產(chǎn)的CC2530主控芯片下級(jí)電路是射頻收發(fā)模塊，為了更好的適應(yīng)煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，確定選用CC2530片上系統(tǒng)。CC2530主控芯片運(yùn)行過程中功耗低，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多等優(yōu)勢(shì)。主控芯片根據(jù)內(nèi)存量不同可以劃分為以下 4種類型：CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、CC2530F256，此處選擇型號(hào)為CC2530F64的主控芯片，其自帶的Z-StackM能夠滿足無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的連接需求，并且適應(yīng)于ZigBee中3類不同節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

3.1.2 溫濕度傳感器

結(jié)合井下安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器使用環(huán)境情況，選擇了型號(hào)為GWSD100的溫濕度傳感器，其組成包括溫度探頭和濕度探頭2部分，溫濕度探頭具有很好的靈敏度和監(jiān)測(cè)范圍，能夠穩(wěn)定可靠完成溫濕度信號(hào)的采集。采集的數(shù)據(jù)匯總到內(nèi)部處理器系統(tǒng)，之后通過對(duì)溫濕度信號(hào)數(shù)據(jù)的分析處理，輸出溫濕度頻率信號(hào)和對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，具有很好的兼容性。GWSD100工作原理框圖如圖2所示。

圖2 GWSD100工作原理框圖

3.1.3 瓦斯傳感器

瓦斯作為井下作業(yè)極為關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)因素，對(duì)于瓦斯傳感器要求較高，既要檢測(cè)靈敏可靠，又要具有很好的防爆性能，基于此選擇了型號(hào)為GJC4的瓦斯傳感器。該瓦斯傳感器采用的是嵌入式芯片，便于維護(hù)與控制，滿足瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。GJC4型瓦斯傳感器主要由單片機(jī)、顯示器、聲光報(bào)警等組成，具有聲光報(bào)警、信息顯示、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)裙δ埽瑫r(shí)，具有斷電保護(hù)、數(shù)據(jù)信號(hào)輸出等功能，模塊化設(shè)計(jì)特點(diǎn)確保了后續(xù)安裝的便捷性。

3.2 節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)

移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)作為井下工作人員行動(dòng)的位置指示，內(nèi)部信息與對(duì)應(yīng)工作人員的個(gè)人信息是一一對(duì)應(yīng)的，要想時(shí)刻了解井下工作人員的具體位置，必須將其帶在身上。移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖如圖3所示，包括CC2530主控芯片、電源、天線、傳感器等。CC2530主控芯片能夠收集井下工作人員的坐標(biāo)信息并完成數(shù)據(jù)的處理，之后通過射頻天線將位置信息實(shí)時(shí)傳輸至井上監(jiān)控中心基站，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下工作人員的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了明顯的模塊化思想，芯片左側(cè)預(yù)留擴(kuò)展接口，傳感器也都是有各自的數(shù)據(jù)傳輸接口，便于系統(tǒng)的維護(hù)與擴(kuò)展升級(jí)。

圖3 移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖

3.2.2 參考定位節(jié)點(diǎn)

井下安全檢測(cè)系統(tǒng)中的參考定位節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)配合確定井下工作人員具體位置，實(shí)現(xiàn)井下工作人員的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。參考定位節(jié)點(diǎn)井下布置需要以井下生產(chǎn)環(huán)境為依據(jù)，要求滿足定位精度和分布密度的要求。對(duì)于工作面巷道空間分布較為復(fù)雜、分支路口較多的情況，在布置參考定位節(jié)點(diǎn)時(shí)還要考慮無(wú)線信號(hào)的收發(fā)性能，以此確定最佳的參考定位節(jié)點(diǎn)布置位置。參考位置節(jié)點(diǎn)處通常設(shè)置各種監(jiān)測(cè)傳感器，如粉塵傳感器、溫濕度傳感器、瓦斯傳感器等，其采集得到的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下工作環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)。參考定位節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖如圖4所示，參考定位節(jié)點(diǎn)的核心是CC2530，負(fù)責(zé)接收各類傳感器實(shí)時(shí)采集的信號(hào)，同時(shí)，配置電源模塊，為各類傳感器及報(bào)警模塊提供能量，各個(gè)參考定位節(jié)點(diǎn)位置信息唯一，對(duì)應(yīng)著射頻芯片中的64位地址，基于此確定移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)的具體位置。

圖4 參考定位節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

3.2.3 協(xié)調(diào)器中心基站

協(xié)調(diào)器中心基站在井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)起著管理、協(xié)調(diào)、維護(hù)和組織的作用，其系統(tǒng)框圖如圖5所示。協(xié)調(diào)器中心基站各部分相互獨(dú)立又相輔相成，中心節(jié)點(diǎn)既是建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，也是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊的紐帶；處理器模塊完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收、分析和存儲(chǔ)的同時(shí)，還與主機(jī)進(jìn)行通信；通信接口在將中心基站數(shù)據(jù)傳輸至井上監(jiān)控系統(tǒng)的過程中需先經(jīng)交換機(jī)處理，之后經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至井上監(jiān)控系統(tǒng)。

圖5 協(xié)調(diào)器中心基站系統(tǒng)框圖

3.3 控制界面設(shè)計(jì)

井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的作用是對(duì)井下作業(yè)人員與環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此需要將井下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，供監(jiān)控人員觀察。控制界面作為人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)的窗口，其設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要，既要求數(shù)據(jù)顯示全面，也要求操作簡(jiǎn)單方便。圖6給出了井下安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面，直觀顯示了工作面內(nèi)人員的實(shí)時(shí)位置，同時(shí)通過界面中的軟鍵可以實(shí)現(xiàn)界面的切換，很好的滿足了井下安全監(jiān)控系統(tǒng)界面顯示與監(jiān)控要求。

圖6 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證該井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，對(duì)其運(yùn)行過程進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄，應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足井下工作面內(nèi)工作人員及運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)控要求。相較于安全監(jiān)控系統(tǒng)改進(jìn)之前，井下設(shè)備安全維護(hù)費(fèi)用投入降低近20%，因安全事故導(dǎo)致停工作面產(chǎn)停工的時(shí)間降低近15%，提高了井下采煤設(shè)備的利用率，預(yù)計(jì)礦難發(fā)生時(shí)人員搜救的時(shí)間會(huì)降低近40%，取得了很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

煤礦井下安全問題與工作人員的生命安全及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，必須引起高度重視。針對(duì)礦難發(fā)生時(shí)人員搜救困難的問題，開展了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)工作。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足井下工作人員及運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)控要求。