高瑞江

(中陽(yáng)縣應(yīng)急管理局，山西 呂梁 033400)

0 引 言

煤炭是我國(guó)重要的化石能源，煤礦開采井下環(huán)境比較惡劣，長(zhǎng)期處于多塵、潮濕、電磁輻射環(huán)境中，伴隨著瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體的存在，近年來，瓦斯事故頻頻發(fā)生，給煤礦造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。隨著煤礦開采深度和難度的不斷增加，煤礦的開采區(qū)時(shí)常發(fā)生瓦斯中毒、瓦斯爆炸、瓦斯涌出等事故，瓦斯事故已經(jīng)占到煤礦事故的80%以上，由于瓦斯事故造成的煤礦工人死亡人數(shù)占到總?cè)藬?shù)的90%以上，為此，對(duì)煤礦井下的瓦斯進(jìn)行精確檢測(cè)并進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，對(duì)于避免瓦斯事故和保證煤礦安全生產(chǎn)顯得尤為重要[2]。

傳統(tǒng)的煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)是通過在煤礦井下鋪設(shè)大量的電纜，將有線傳感器接入井下電網(wǎng)，對(duì)某個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行瓦斯的檢測(cè)，有線通信方式主要存在的問題有[3]：①受巷道環(huán)境限制，布線非常復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，鋪設(shè)電纜需要大量的人力和物力，布置不靈活，甚至?xí)霈F(xiàn)某些地方布置不到的問題；②只有布置有電線的位置才能夠進(jìn)行監(jiān)控，所以容易出現(xiàn)監(jiān)控的盲區(qū)或存在監(jiān)控不到位的情況，容易引發(fā)煤礦瓦斯事故；③通信線路需要進(jìn)行定期維護(hù)和檢修，實(shí)際的維護(hù)成本較高，甚至出現(xiàn)故障需要進(jìn)行維修，成本比較大；④線路維修頻繁，耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，影響煤礦的生產(chǎn)效率和年產(chǎn)量，企業(yè)效益將會(huì)降低，企業(yè)生存壓力較大。

筆者提出了利用無線網(wǎng)絡(luò)和傳感檢測(cè)技術(shù)，打破傳統(tǒng)的煤礦井下鋪線的局限性和設(shè)備嚴(yán)格要求性，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下檢測(cè)裝置的自由布置，避免了傳統(tǒng)的布線耗費(fèi)人力，使得瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的布置更加靈活，所開發(fā)的友好人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)了煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊目梢暬O(jiān)控，及時(shí)報(bào)警，有效避免煤礦瓦斯事故發(fā)生。

1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和參數(shù)

煤礦井下環(huán)境比較復(fù)雜，長(zhǎng)期處于多塵、潮濕和電磁輻射等環(huán)境中，在煤礦井下空氣中包含有大量的有毒有害氣體，如一氧化碳、瓦斯、硫化氫等氣體，為此需要要求監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的防潮、防濕、防爆和防輻射的性能。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)煤礦領(lǐng)域制定的《煤礦安全管理規(guī)程》中的要求[4]，可以得到煤礦井下氣體安全指標(biāo)如表1所列。

表1 煤礦井下有毒有害氣體檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)表1煤礦井下環(huán)境氣體檢測(cè)指標(biāo)，對(duì)煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出如下設(shè)計(jì)要求：

(1)安全性和穩(wěn)定性要求。瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)要能夠適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜多變的工況，具有防塵，防爆和防腐蝕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，硬件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸不受地理?xiàng)l件的影響，保證網(wǎng)絡(luò)正常傳輸。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)管理和維護(hù)的方便性。根據(jù)井下復(fù)雜工況，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)需要定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，對(duì)于某些關(guān)鍵零部件需要及時(shí)進(jìn)行更換，為此需要保證監(jiān)控系統(tǒng)便于進(jìn)行管理和維護(hù)。

(3)由于煤礦井下巷道空間資源有限，使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，避免布線和復(fù)雜安裝，利用上位機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)集中監(jiān)控和管理，反應(yīng)報(bào)警時(shí)間滿足濃度檢測(cè)指標(biāo)要求。

2 基于無線傳輸技術(shù)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)要求，需要從硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)方面保證瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的性能和特性，圖1所示為基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體方案布置圖。

圖1 煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)組成

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要四層內(nèi)容，第一層為智能感知層，第二層為信號(hào)傳輸層，第三層為數(shù)據(jù)智能分析層，第四層為上位機(jī)監(jiān)控與報(bào)警層，每一層由不同的功能模塊組成，如圖1所示。智能感知層是由各種智能小型傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由隨機(jī)分布的非常小的傳感器的節(jié)點(diǎn)通過自組織的形式進(jìn)行搭建，構(gòu)成了內(nèi)置的多種傳感器組，完成對(duì)煤礦井下瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、檢測(cè)和采集信號(hào)的功能；第二層是信號(hào)傳輸層，將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，并且利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；第三層為數(shù)據(jù)智能分析層，將傳輸?shù)降臄?shù)據(jù)利用中央控制器進(jìn)行分析，包括使用PID智能控制方式，確保瓦斯?jié)舛缺３衷谝粋€(gè)穩(wěn)定范圍之內(nèi)，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警和提醒；第四層為上位機(jī)監(jiān)控層，主要是用于顯示煤礦井下瓦斯的濃度值，一段時(shí)間內(nèi)某個(gè)區(qū)域內(nèi)瓦斯的變化趨勢(shì)，利用可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊膭?dòng)態(tài)顯示，并且自動(dòng)生成歷史記錄，自動(dòng)生成報(bào)表記錄瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，便于后期進(jìn)行分析。圖2所示為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體方案原理圖。

圖2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體方案圖

如圖2所示，監(jiān)控系統(tǒng)總體方案主要包括井上和井下，井上主要是監(jiān)控中心，井下是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采集節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下瓦斯信號(hào)的采集和傳輸，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接收節(jié)點(diǎn)也位于井下分站，是星型網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，通過搭建如圖所示的監(jiān)控系統(tǒng)方案，將從井下采集到的瓦斯信號(hào)上傳到井上進(jìn)行監(jiān)控，避免人員進(jìn)入煤礦井下，有效保證工人的健康和安全。

3 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器選型

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)裝置是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，是將物理信號(hào)(瓦斯?jié)舛?轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的關(guān)鍵部件和環(huán)節(jié)，用來對(duì)煤礦井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)。此次設(shè)計(jì)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯采集單元選用KGS-20瓦斯傳感器，這是以二氧化錫作為基本敏感材料，用于對(duì)可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)的一種半導(dǎo)體傳感器，保證采集瓦斯反應(yīng)時(shí)間較短，靈敏度高，響應(yīng)速度快，功耗低。如圖3(a)所示為KGS-20瓦斯傳感器實(shí)物圖，圖3(b)所示為瓦斯傳感器接口電路原理圖。

KGS-20瓦斯傳感器是專門用于可燃性氣體檢測(cè)的一種半導(dǎo)體型的傳感器，該傳感器可以輸出電流信號(hào)、電壓信號(hào)以及頻率信號(hào)，由傳感器決定了監(jiān)控系統(tǒng)的電流信號(hào)為1～5 mA，電壓信號(hào)為0～5 V，頻率信號(hào)為200～1 000 Hz，電信號(hào)輸出傳入到處理器中對(duì)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。

圖3 KGS-20瓦斯傳感器及電路圖

從圖3(b)瓦斯傳感器接口電路原理圖中可知，瓦斯傳感器的探頭位置安裝有內(nèi)部催化元件，當(dāng)探頭位置無瓦斯氣體信號(hào)時(shí)，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)瓦斯探頭感應(yīng)到瓦斯氣體時(shí)，電橋?qū)?huì)失去平衡輸出一個(gè)與環(huán)境中瓦斯?jié)舛瘸收嚓P(guān)的一個(gè)檢測(cè)電信號(hào)，由于煤礦井下實(shí)際環(huán)境中的瓦斯?jié)舛容^小，需要首先使用放大器AD623對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大，隨后通過CC2430微處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后將運(yùn)算得到的結(jié)果利用RF射頻模塊進(jìn)行無線傳輸。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

此次提出的煤礦井下環(huán)境中，需要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)布置瓦斯傳感器并且需要實(shí)現(xiàn)中心控制，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)術(shù)可以有效提高識(shí)別的精度和監(jiān)控管理水平，圖4所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)組成。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件組成結(jié)構(gòu)

由圖4可看出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件主要由多個(gè)瓦斯傳感器的采集節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)和瓦斯監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成，將多個(gè)傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)利用無線通信方式形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的集中處理，最后將數(shù)據(jù)上傳到地面監(jiān)控中心，每一個(gè)瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是微信嵌入式系統(tǒng)，采用該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最大化的利用寬帶，降低設(shè)備的體積。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與監(jiān)控系統(tǒng)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)接收與采集節(jié)點(diǎn)采用嵌入式IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境，利用IAR Embedded Workbench提供的框架，可以將其他的工具完整進(jìn)行嵌入，主要適用于大量的8位、16位和32位的微處理器和控制器，有助于用戶在實(shí)際開發(fā)新項(xiàng)目時(shí)能提供非常熟悉的開發(fā)環(huán)境，可以直接使用大量代碼生成某些環(huán)境和特征，提高工作效率，節(jié)省大量工作時(shí)間。煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)軟件系統(tǒng)均是在IAR Embedded Workbench中搭建，首先無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)一方面是通過將瓦斯傳感器采集到的氣體濃度值，通過RF模塊接收從接收節(jié)點(diǎn)發(fā)來的地址指令，所有采集節(jié)點(diǎn)對(duì)地址信息是否一致進(jìn)行判斷，當(dāng)一致時(shí)候就會(huì)將采集到的瓦斯氣體濃度通過RF射頻模塊發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)；另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了瓦斯?jié)舛鹊目刂葡到y(tǒng)，利用模糊PID控制瓦斯的濃度，整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的軟件執(zhí)行流程圖如圖5所示，通過對(duì)發(fā)送與接收模塊進(jìn)行判斷，確定是否發(fā)送或接收成功。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)工作流程圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)有兩方面內(nèi)容，一方面是通過串口接收來自上位機(jī)的控制指令信息，并且將控制指令信息利用無線通信模塊發(fā)送給無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析；另一方面，是需要接收制定的某些采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的濃度信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步計(jì)算和分析，最終通過數(shù)碼管顯示，上位機(jī)操作界面也需要顯示，并且當(dāng)瓦斯的濃度超標(biāo)時(shí)需要進(jìn)行聲光報(bào)警提示。

5 應(yīng)用效果

所設(shè)計(jì)的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中搭建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新型瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)，從瓦斯?jié)舛鹊臏?zhǔn)確度、瓦斯響應(yīng)時(shí)間、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳輸特點(diǎn)等方面進(jìn)行對(duì)比，得到如表2所列的對(duì)比結(jié)果。

表2 傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)與新型監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果對(duì)比

從上表的分析結(jié)果可知，此次設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)從識(shí)別的精度和響應(yīng)時(shí)間上均優(yōu)于傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下大范圍推廣和應(yīng)用。

6 結(jié) 語(yǔ)

煤礦瓦斯事故是影響煤礦安全生產(chǎn)的突出事故類型。針對(duì)傳統(tǒng)的煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)存在的布線繁瑣、響應(yīng)速度慢、識(shí)別濃度精度低等問題，利用最新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了新型煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，完成了監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)將會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)，提示在某區(qū)域正在作業(yè)的人員，疏散人員實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和對(duì)比分析可以得出，采用本套新型瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸，瓦斯?jié)舛葯z測(cè)精度為0.001，系統(tǒng)布置更加靈活，節(jié)省企業(yè)的勞動(dòng)力成本，智能化水平更高，有效避免煤礦瓦斯事故發(fā)生，提高煤礦的安全生產(chǎn)水平，該項(xiàng)研究成果也為其他環(huán)境參數(shù)的無線檢測(cè)提供了案例參考。