阮東鵬

（晉能控股煤業(yè)集團 晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048000）

1 概況

煤礦本質(zhì)安全主要是形容設(shè)備的電氣系統(tǒng)能進行自我保護的能力。影響煤礦生產(chǎn)本質(zhì)安全的主要因素包括人員本質(zhì)安全、設(shè)備本質(zhì)安全、環(huán)境本質(zhì)安全。人員的本質(zhì)安全可以通過專業(yè)知識培訓、專業(yè)訓練等得到保障，而環(huán)境與設(shè)備的本質(zhì)安全就依賴于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。我國煤礦事故時有發(fā)生，一大因素就是現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控方面存在較大的問題與不足，從煤礦安全角度入手進行研究，應(yīng)用新型的數(shù)字傳感技術(shù)，對煤礦生產(chǎn)設(shè)備與人員進行實時監(jiān)控，最終實現(xiàn)對裝備與人員的保護。以晉能控股煤業(yè)集團成莊煤礦為研究對象，基于該礦生產(chǎn)環(huán)境，采用終端CAN 總線與ZigBee 通信模塊技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，以期達到降低煤礦安全事故的目的。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)成莊煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求特點以及應(yīng)用環(huán)境，可以確定系統(tǒng)的設(shè)計原則及工作要點。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計原則主要有：安全性、可靠性；技術(shù)先進性，應(yīng)采用先進的硬件與軟件控制技術(shù)；標準化，采用標準化設(shè)計接口，增強系統(tǒng)的通用性與設(shè)備兼容性；經(jīng)濟適用性，即在滿足使用要求的前提下盡量降低成本。

煤礦監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示，主要包括數(shù)據(jù)采集層、信號傳輸層以及數(shù)據(jù)分析層。系統(tǒng)通信方案設(shè)計選用ZigBee 無線通信技術(shù)和CAN總線技術(shù)相結(jié)合的方式，該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性以及井下適應(yīng)能力，具有較好的抗爆能力。ZigBee無線通信技術(shù)具有傳輸距離遠、組網(wǎng)靈活、功耗低、維護方便等特點。數(shù)據(jù)采集模塊首先將設(shè)備的信號采集并集中整理，通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行分析，并得出設(shè)備的狀態(tài)信息。

圖1 煤礦監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of coal mine monitoring system

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)模塊的主要功能是接收整個監(jiān)控系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，并將其進行轉(zhuǎn)化、處理、存儲，最后通過CAN 總線發(fā)送到監(jiān)控分站。網(wǎng)關(guān)模塊主要硬件包括微處理器以及信號處理微型芯片，在此根據(jù)實際功能的需求選擇西門子公司生產(chǎn)的STM-CT6 型微處理器以及CC2530 芯片，網(wǎng)關(guān)模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)模塊硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of gateway module

3.1.2 ZigBee 模塊

ZigBee 模塊主要負責信號的接收與發(fā)送，這種節(jié)點的無線發(fā)射功率大且接收信號的靈敏度比較高，通信傳輸距離較長，適用于煤礦井下通信使用。ZigBee 模塊采用的是CC2530 芯片，該型芯片是專門用于信號采集與發(fā)送的單芯片，具有高頻收發(fā)器、低成本、內(nèi)存較大、可拓展性強等優(yōu)點。

3.1.3 存儲器設(shè)計

存儲器主要負責收集存儲系統(tǒng)臨時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供安全保障，系統(tǒng)連接外部存儲的芯片采用CH376，該芯片處理器具有較好的存儲功能，可提供12 MHz 的SPI 通信接口以及最高3 Mbps 速度的異步串口。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的核心處理器選用的是ARM 公司開發(fā)的STM76TGY8 型微型處理芯片，該處理器具有數(shù)存儲、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)預警等功能，監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求是首先對傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行收集整理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計算與分析，該系統(tǒng)的軟件控制程序基于Keil Vision8 為開發(fā)平臺進行編程。該開發(fā)平臺是一款基于VC++ 語言的開發(fā)軟件，具有較好的通用性與兼容性。系統(tǒng)軟件的主要設(shè)計程序包括數(shù)據(jù)采集程序、網(wǎng)關(guān)通信程序、數(shù)據(jù)處理程序路由器節(jié)點程序設(shè)計，上位機操作系統(tǒng)等軟件的設(shè)計。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

完成系統(tǒng)的軟件與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計后，需對其功能進行試驗測試，以確保系統(tǒng)達到了設(shè)計目的。以煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)溫度監(jiān)控與無線網(wǎng)絡(luò)通信為例，對其功能測試做簡要介紹。

4.1 溫度參數(shù)監(jiān)控

安全監(jiān)控系統(tǒng)的溫度監(jiān)控對保障井下安全具有重要意義，試驗主要針對溫度變化情況搭建試驗平臺測試。該試驗平臺主要硬件設(shè)備包括Zig Bee 模塊（CC2530）、電源、GWSD100 型溫度傳感器、計算機、SD 存儲卡、信號微處理器等。試驗時首先將各硬件設(shè)備連接好，在控制計算機上，通過調(diào)試助手觀測傳感器模塊所采集溫度信息，并與試驗環(huán)境實際測量的溫度進行對比，系統(tǒng)所采集的溫度情況見表1。

表1 溫度測試結(jié)果Table 1 Temperature test results

4.2 無線通信測試

根據(jù)成莊煤礦礦井的特點，選擇2 棟教學樓樓道為試驗場景。為了搭建無線通信測試試驗平臺，需準備的硬件設(shè)備包括ZigBee 模塊、電源、GWSD/100 型傳感器、計算機、USB 轉(zhuǎn)串口線、USB 轉(zhuǎn)TTL 數(shù)據(jù)線、SD 存儲卡等。

試驗時連接好各試驗設(shè)備，其中一個ZigBee模塊與微處理器相連接，另外一個ZigBee 模塊通過USB 數(shù)據(jù)接收線與中央控制計算機進行連接；接通測試平臺電源，將傳感器監(jiān)測到的溫度信息進行無線傳輸；移動ZigBee 模塊，改變距離，重復多次試驗，將每次測試的數(shù)據(jù)結(jié)果做好詳細的記錄，驗證ZigBee 模塊的信號傳輸能力，并計算其信號傳輸過程中的丟包率。

測試結(jié)果顯示，2 個ZigBee 模塊在不同的距離以及障礙物的作用下，信號傳遞效率具有明顯差異，當傳遞距離為200～300 m 時，模塊可以正常接收數(shù)據(jù)，沒有發(fā)生丟包的現(xiàn)象，通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳遞；當傳遞距離為400～500 m 時，信號傳遞出現(xiàn)丟包現(xiàn)象；當距離大于500 m 時，發(fā)生比較明顯的數(shù)據(jù)丟失情況，無法有效完整地傳遞信號。說明ZigBee 模塊的有效距離為300 m。

5 結(jié)語

針對成莊煤礦安全監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)可靠性等方面存在較多不足的問題，基于該礦生產(chǎn)環(huán)境，設(shè)計了一套煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，以達到降低煤礦安全事故的目的。根據(jù)煤礦生產(chǎn)的特點，采用終端CAN 總線與ZigBee 通信模塊技術(shù)為基礎(chǔ)，對安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件設(shè)計與硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計做了簡要介紹，然后根據(jù)需要對安全監(jiān)控系統(tǒng)的各分系統(tǒng)進行了測試，由于篇幅所限只列出了溫度參數(shù)監(jiān)控與無線通信測試2 類測試試驗。測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)達到了設(shè)計目標，可以很好地實現(xiàn)對成莊煤礦的安全監(jiān)控，提高了煤礦安全生產(chǎn)可靠性。