焦婉瑩，史佳豪

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求急劇增加。作為重要能源之一，煤炭需求不斷增長(zhǎng)。但近年來(lái)，煤礦事故的頻繁發(fā)生，給人類(lèi)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，煤礦的安全問(wèn)題尤為突出。在煤礦事故中，瓦斯(主要成分為甲烷，分子式為CH4)爆炸已成為人類(lèi)的第一個(gè)殺手[1]。因此，為了有效地預(yù)防和減少瓦斯爆炸事故，研究和設(shè)計(jì)一個(gè)煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。傳統(tǒng)的氣體監(jiān)控方法是利用電信線(xiàn)路從傳感器向控制器收集氣體信號(hào)，控制器根據(jù)情況發(fā)送控制信號(hào)，即稱(chēng)為有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式。在這種控制模式下，當(dāng)傳輸線(xiàn)路長(zhǎng)時(shí)，硬件成本昂貴，經(jīng)常出現(xiàn)干擾，其可靠性和精度較低[2]。隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信模式已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模式相比，無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)省略了連接線(xiàn)，其更簡(jiǎn)單、便宜、快捷。該系統(tǒng)以射頻收發(fā)芯片nRF2401為核心，利用傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)收發(fā)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)氣體的數(shù)據(jù)采集和短程無(wú)線(xiàn)傳輸。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 預(yù)警系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)警的邏輯結(jié)構(gòu)是預(yù)警控制過(guò)程中包含的邏輯單元之間的關(guān)系。一個(gè)完整的預(yù)警系統(tǒng)包括6個(gè)部分：危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)識(shí)別、預(yù)警標(biāo)識(shí)識(shí)別、預(yù)警情況分析、預(yù)警信息問(wèn)題、對(duì)策建議、實(shí)施評(píng)估等(圖1)。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Logical structure design of early warning system

預(yù)警要素是指預(yù)警對(duì)象的各種相關(guān)因素，如特定災(zāi)害或事故、排除影響因素和反映因素。危害監(jiān)測(cè)是一個(gè)全面、完整的過(guò)程，旨在建立可靠的安全信息源，盡可能全面、完整、及時(shí)地獲取各種與災(zāi)害有關(guān)的動(dòng)態(tài)安全信息[3]。同時(shí)，還具有安全信息的分類(lèi)、存儲(chǔ)、傳輸、歸檔等功能。危險(xiǎn)被稱(chēng)為警告源，它是事故和災(zāi)難的根源。根據(jù)預(yù)警要素的監(jiān)控結(jié)果，預(yù)警源識(shí)別是為了確定與預(yù)警對(duì)象相關(guān)的危險(xiǎn)的存在、狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)。警告源標(biāo)識(shí)是基于警告元素與警告源之間的客觀(guān)關(guān)系[4]。事故和災(zāi)難的發(fā)生是一個(gè)從定量到定性的過(guò)程。一系列標(biāo)志稱(chēng)為在過(guò)程中出現(xiàn)的警告標(biāo)志。它們提供警告事故或事故的關(guān)鍵信息。一些警示標(biāo)志反映了警示源的構(gòu)成，一些反映了災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。警示標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)是過(guò)濾和分析監(jiān)控信息，提取警示源和警示元件的標(biāo)識(shí)，提供關(guān)鍵信息[5]。

預(yù)警情況分析是基于監(jiān)測(cè)信息和預(yù)警標(biāo)識(shí)的重新識(shí)別，根據(jù)預(yù)警情況的分析模型、災(zāi)害的合理性和發(fā)展趨勢(shì)，確定危害程度。預(yù)警情況分析的目的是及時(shí)對(duì)災(zāi)害進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。不準(zhǔn)確和不充分的結(jié)果可能會(huì)影響預(yù)警效果。預(yù)警情況分析是整個(gè)預(yù)警成敗的關(guān)鍵，也是預(yù)警過(guò)程中最困難的部分。預(yù)警級(jí)別表示災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)程度。根據(jù)預(yù)警級(jí)別的不同，通過(guò)一定的方式發(fā)布預(yù)警結(jié)果，以便讓相關(guān)人員及時(shí)了解災(zāi)害的危險(xiǎn)程度和發(fā)展趨勢(shì)。在生產(chǎn)過(guò)程中，警告結(jié)果的發(fā)布內(nèi)容應(yīng)因人員質(zhì)量、需求和責(zé)任而不同。通常，電視、廣播、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)電話(huà)短信和電話(huà)號(hào)碼等都會(huì)遇到警告結(jié)果問(wèn)題。發(fā)布內(nèi)容通常包含警告級(jí)別和建議。發(fā)布方式包括聲音、圖像、文本等。根據(jù)預(yù)警措施可以分析結(jié)果，利用對(duì)策提出災(zāi)害預(yù)防建議，指導(dǎo)人員采取措施和決策。通常可以根據(jù)專(zhuān)家的需要，建立規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)。預(yù)警響應(yīng)是及時(shí)、有效、完整地實(shí)施相應(yīng)的回復(fù)措施，消除導(dǎo)致危險(xiǎn)事件的各種因素，及時(shí)采取預(yù)防和預(yù)防措施，避免事故或減少事故造成的損害。

2 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)包括前端和終端2個(gè)子系統(tǒng)。前端系統(tǒng)主要包括甲烷傳感器、微機(jī)單元和無(wú)線(xiàn)通信模塊，負(fù)責(zé)多點(diǎn)甲烷信號(hào)的收集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊向終端系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)。終端系統(tǒng)首先接收甲烷信號(hào)，然后將信號(hào)發(fā)送到微機(jī)單元處理、顯示，并可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、中繼控制、模擬信號(hào)輸出、數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C等功能。整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 傳感器的選擇

在瓦斯監(jiān)測(cè)過(guò)程中，甲烷傳感器是煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“眼睛”，是關(guān)鍵的瓦斯報(bào)警技術(shù)設(shè)備，其可靠性和靈敏度直接關(guān)系到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全。目前監(jiān)測(cè)甲烷的方法多，選擇GJG10H紅外甲烷傳感器，GJG10H傳感器利用甲烷可以對(duì)3.33 μm波長(zhǎng)紅外光產(chǎn)生強(qiáng)吸收峰、但水蒸氣和二氧化碳等氣體中的雜質(zhì)不能明顯吸收紅外光的特性，實(shí)現(xiàn)甲烷氣體的檢測(cè)。傳感器采用自行開(kāi)發(fā)的紅外敏感元件和差分補(bǔ)償信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)0～100%甲烷濃度監(jiān)測(cè)，采用微孔通風(fēng)濾膜作為防塵防潮防腐劑，解決紅外甲烷傳感器的防塵防水問(wèn)題，采用程序增強(qiáng)方法減少啟動(dòng)電流，采用自吸氣體交換法實(shí)現(xiàn)快速氣體交換，提高響應(yīng)速度，利用溫度補(bǔ)償法擴(kuò)大溫度傳感器的應(yīng)用范圍，提高測(cè)量精度等。2007年2月9日，GJG10H紅外甲烷傳感器通過(guò)國(guó)家安全生產(chǎn)總管理局組織的科技成果鑒定?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，GJG10H紅外甲烷傳感器穩(wěn)定、可靠、先進(jìn)，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[6]。GJG10H紅外甲烷傳感器是數(shù)字甲烷濃度測(cè)量?jī)x器，數(shù)字信號(hào)輸出格式為異步通信，標(biāo)準(zhǔn)波特率分別為9 600、19 200、38 400 b/s，易于與單片機(jī)89S52P1端口連接。

2.2 nRF2401芯片選型設(shè)計(jì)

nRF2401芯片是集成的射頻、收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，適用于無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)、遙控鎖、遙控玩具等多種無(wú)線(xiàn)通信場(chǎng)合。nRF2401采用全球開(kāi)放2.4 GHz頻帶，有125通道，可滿(mǎn)足多頻和跳頻需要，其速度(1 Mbps)高于藍(lán)牙，數(shù)據(jù)吞吐量高，外圍組件少，只有晶體和電阻可設(shè)計(jì)射頻電路，包括發(fā)射功率、工作頻率等所有操作參數(shù)可通過(guò)軟件設(shè)置[7]。其電源電壓為1.9～3.6 V，功率損耗很低。該芯片具有特殊的穩(wěn)壓器電路，能很好地適用于多數(shù)電源(包括直流/直流開(kāi)關(guān)電源)。每個(gè)芯片按軟件設(shè)置40位地址，可接收本地地址，輸出數(shù)據(jù)(提供中斷指令)，編程非常方便。有內(nèi)置的CRC校驗(yàn)驗(yàn)證硬件電路和協(xié)議，采用的TM技術(shù)可同時(shí)接收2個(gè)nRF2401數(shù)據(jù)。nRF2401具有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式、停機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS四針腳設(shè)置。其工作模式見(jiàn)表1[8]。

表1 nRF2401的工作模式Tab.1 Working mode of nRF2401

2.3 nRF2401連接設(shè)計(jì)

nRF2401在收發(fā)器模式下工作，使用信道1。在系統(tǒng)電源接通后，微控制器首先啟動(dòng)nRF2401，然后系統(tǒng)處于接收狀態(tài)。當(dāng)需要發(fā)送信息時(shí)，MCU設(shè)置CE1，激活nRF2401數(shù)據(jù)處理模式，由接收機(jī)的硬件地址和傳輸數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)包由DATA和CLK1接口串行寫(xiě)入nRF2401，然后設(shè)置CE0，激活nRF2401無(wú)線(xiàn)傳輸處理。發(fā)送數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)改變返回接收狀態(tài)。MCU外部中斷INT2配置上升邊緣觸發(fā)，如果nRF2401檢測(cè)數(shù)據(jù)幀與機(jī)器硬件地址一致，數(shù)據(jù)幀解包，DR1信號(hào)設(shè)置1，導(dǎo)致MCU外部中斷，應(yīng)用MCU讀取數(shù)據(jù)。MCU進(jìn)入中斷服務(wù)過(guò)程后，通過(guò)DATA和CLK1接口讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。前系統(tǒng)和終端系統(tǒng)中的nRF2401電路相同。nRF2401電路如圖3所示[9]。

圖3 nRF2401電路Fig.3 Circuit diagram of nRF2401

2.4 顯示組件設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的顯示模式有2種：LED顯示模式和液晶顯示模式。LED顯示屏由發(fā)光二極管構(gòu)成，采用低壓掃描驅(qū)動(dòng)模式，具有低功耗、壽命長(zhǎng)、成本低、亮度高、故障小、視角廣、視野范圍遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字顯示方便，但不適合顯示漢字。液晶顯示器具有功耗低、散熱小、尺寸小、圖像再現(xiàn)精確、文字顯示更清晰等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)選用RT12864M(圖4)，其內(nèi)置漢字庫(kù)，外接電路簡(jiǎn)單，編程相對(duì)簡(jiǎn)單，被廣泛用作顯示設(shè)備。采用串行顯示方式，硬件電路如圖4所示，針腳PSB與接地連接，1052針腳CS、數(shù)據(jù)端口、時(shí)鐘CLK分別與針腳P2.0、P2.1、P2.2連接[9]。

圖4 RT12864M硬件電路Fig.4 RT12864M hardware circuit

2.5 電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)

考慮到繼電器觸點(diǎn)在斷開(kāi)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生火花，甲烷在火災(zāi)時(shí)很容易爆炸，使用固態(tài)繼電器(固態(tài)繼電器，縮寫(xiě)SSR)來(lái)控制通風(fēng)機(jī)。SSR由微電子電路、離散電子器件和電子電源裝置組成，無(wú)觸點(diǎn)，采用隔離裝置實(shí)現(xiàn)控制和負(fù)載部件的隔離。SSR由輸入電路、隔離(耦合)和輸出電路3部分組成。根據(jù)不同的輸入電壓，輸入電路可分為直流輸入電路、交流輸入電路和交流/直流輸入電路3種。有些輸入控制電路與TTL/CMOS兼容，還具有正負(fù)邏輯控制、反對(duì)相位等功能。輸出電路還可分為直流輸出電路、交流輸出電路和交流/直流輸出電路。交流輸出通常使用2個(gè)晶閘管或一個(gè)雙向晶閘管，直流輸出可以使用雙極器件或功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。交流SSR內(nèi)部原理圖如圖5所示。引腳3和4是輸入電路，引腳1和2是輸出電路。

圖5 交流SSR內(nèi)部原理Fig.5 Internal schematic diagram of AC SSR

輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)發(fā)射一定波長(zhǎng)的光，在感光分量接收到該光后，可產(chǎn)生電流。從而完成了電性的轉(zhuǎn)換，使輸出中斷和停止，從而起到輸入輸出隔離的作用。由于SSR中輸入輸出部分的隔離，電信號(hào)傳輸是單向的，因此具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。這里采用SSR控制交流電機(jī)，其原理如圖6所示。

圖6 SSR控制交流電機(jī)電路Fig.6 Circuit diagram of SSR controlled AC motor

2.6 報(bào)警模塊

報(bào)警電路發(fā)音組件通常使用壓電蜂鳴器。當(dāng)在蜂鳴器的2個(gè)針腳上增加3～15 V直流工作電壓時(shí)，可產(chǎn)生約3 kHz的蜂鳴器振蕩聲。壓電蜂鳴器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功損耗小，更適合微機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用。在工作時(shí)，它大約需要10 mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以連接1個(gè)三極管和電阻的MCU端口上的驅(qū)動(dòng)。其電路如圖7所示。當(dāng)P1.3輸出低電平0時(shí)，三極管突破，蜂鳴器響，當(dāng)P0.3輸出高電平1時(shí)，三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止聲音[10]。

圖7 報(bào)警模塊電路Fig.7 Circuit diagram of alarm module

2.7 MCU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用STCT89S52作為主微控制器，具有K字節(jié)閃存，指令和引腳完全兼容MCS-51，支持0～24 Hz靜態(tài)操作，采用3級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，具有8×256 K位內(nèi)存，雙在線(xiàn)(DIP)包，40針，外部電源，2針晶體振蕩器，4腳控制，MCU有4組可編程8位I/O端口。MCU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖8所示。XTAL1和XTAL2與12M晶體振蕩器連接，重位電路使用手動(dòng)重位模式[11]。

圖8 MCU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.8 MCU minimum system design

3 軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)完成后，可以根據(jù)硬件的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)軟件。對(duì)于軟件，主要思想是按順序執(zhí)行，根據(jù)nRF2401工作原理編寫(xiě)軟件，軟件部分主要包括數(shù)據(jù)拼接、鍵盤(pán)、顯示、無(wú)線(xiàn)發(fā)送和接收等多個(gè)部分，其主要流程如圖9所示。數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的展示界面如圖10 所示，此界面的主要功能是可以對(duì)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)上升或者下降趨勢(shì)進(jìn)行直觀(guān)的顯示，同時(shí)可以人為干涉控制系統(tǒng)的通風(fēng)排氣或者斷電等，與自動(dòng)控制設(shè)備相結(jié)合，能夠達(dá)到更好的安全預(yù)警效果。

圖9 軟件主要流程Fig.9 Main flow chart of software

圖10 數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的展示界面Fig.10 Display interface of data curve

4 組網(wǎng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)的測(cè)試分為硬件測(cè)試和軟件測(cè)試，硬件測(cè)試主要是用所設(shè)計(jì)的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)對(duì)一定濃度的瓦斯進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的信息與實(shí)際的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行比較，分析其誤差；軟件測(cè)試主要是對(duì)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在硬件測(cè)試的過(guò)程中，將采集的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行直觀(guān)顯示，并且觀(guān)察其隸屬度信息、報(bào)警信息等功能是否正常。本方案的測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試平臺(tái)。

4.1 軟件測(cè)試

軟件的測(cè)試分為2個(gè)部分，第1部分是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬的調(diào)試，觀(guān)察是否一切顯示正常；打開(kāi)所編寫(xiě)的“瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”軟件，對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完畢之后，其正常工作界面如圖11所示。在軟件的界面中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前隸屬度比隸屬度1大時(shí)，則進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警；比隸屬度1小，比隸屬度2大時(shí)，則進(jìn)行警告報(bào)警；小于隸屬度2時(shí)，則為安全。軟件界面中的報(bào)警濃度和隸屬度1、隸屬度2值，都由專(zhuān)家系統(tǒng)給出。為了測(cè)試軟件，在模型中自行添加了其模型的數(shù)值。通過(guò)對(duì)上位機(jī)軟件的調(diào)試，其基本滿(mǎn)足文章設(shè)計(jì)要求。最后所采集的數(shù)據(jù)均以txt文檔格式進(jìn)行保存，方便工作人員對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查用。

圖11 軟件正常工作部分界面Fig.11 Interface of software normal working part

4.2 硬件的測(cè)試

硬件的測(cè)試主要是對(duì)氣閉室內(nèi)的瓦斯進(jìn)行濃度采集。在氣室內(nèi)，充入實(shí)驗(yàn)用的1.5%和2.0%濃度甲烷，然后通過(guò)硬件的數(shù)據(jù)采集，最終傳回到上位機(jī)，觀(guān)察其是否與瓦斯的實(shí)際濃度相同，為了安全起見(jiàn)，測(cè)試只對(duì)采集節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)中，采用透明玻璃瓶充當(dāng)氣室，在正常開(kāi)始之前，瓶子為密閉狀態(tài)，由于甲烷氣體比空氣要輕，所以瓶子采用倒置的方式。在給瓶子充入甲烷氣體的過(guò)程中，為了保證氣體的純凈，持續(xù)充入氣體1 min以上。在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，先啟動(dòng)瓦斯監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)其進(jìn)行預(yù)加熱1 min以上，之后迅速將瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞑杉?jié)點(diǎn)放入瓶中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集測(cè)試。其測(cè)試的結(jié)果分別為1.45%和1.96%，誤差在可接受范圍之類(lèi)。

5 結(jié)論

煤瓦斯突出預(yù)警系統(tǒng)是保障煤礦安全的新方法和新手段，也是結(jié)合煤礦安全理論、信息技術(shù)理論、地理信息系統(tǒng)技術(shù)和預(yù)警理論的復(fù)雜、系統(tǒng)的工程。在對(duì)礦山災(zāi)害的具體特征和規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，采用煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和局部網(wǎng)絡(luò)條件，采用一系列專(zhuān)業(yè)分析軟件為載體。介紹了一種基于無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)芯片nRF2401的多點(diǎn)甲烷監(jiān)控系統(tǒng)，它包括前端和終端兩個(gè)子系統(tǒng)。前端系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)多點(diǎn)甲烷濃度信號(hào)的收集和發(fā)送，終端系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理信號(hào)。與傳統(tǒng)的有線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、便宜、快速，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、高精度，具有廣泛的應(yīng)用范圍。作為一種符合礦山生產(chǎn)要求的早期預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，對(duì)預(yù)測(cè)和減少煤炭和天然氣突發(fā)事故具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。