侯 玫 張傳俊

（1、淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司煤業(yè)公司安裝工程分公司,安徽 淮南 232000 2、安徽工商職業(yè)學(xué)院,安徽 合肥 230000）

我國有非常豐富的煤礦資源,對其進(jìn)行開采會(huì)給經(jīng)濟(jì)及社會(huì)帶來相應(yīng)的效益。但煤炭資源比較豐富的區(qū)域所處地質(zhì)條件比較惡劣,加之,地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜,使得各地區(qū)煤礦安全事故時(shí)有發(fā)展,這也是煤礦生產(chǎn)過程中所面臨的重大問題。井下開采作為我國煤礦資源開采重要的方法,由于巷道引起安全事故的情況時(shí)有發(fā)生。對煤礦巷道開展監(jiān)測,便于掌握煤礦巷道穩(wěn)定性情況,對確保煤礦開采安全發(fā)揮著重要的作用。我國一些煤礦創(chuàng)建安全監(jiān)測系統(tǒng),通過應(yīng)力傳感器獲取的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)了解煤礦安全情況。傳統(tǒng)安全監(jiān)測系統(tǒng)所用傳感器必須鋪設(shè)一些導(dǎo)線及網(wǎng)線,使用過程中會(huì)受到相應(yīng)的干擾或發(fā)生損壞。ZigBee 是一種新興起來的技術(shù),展現(xiàn)出低成本、能耗低等優(yōu)點(diǎn),依托ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全監(jiān)測系統(tǒng),能將信息實(shí)時(shí)傳送至主站,便于工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo)測量位置的應(yīng)力數(shù)據(jù),順利完成數(shù)據(jù)采集的、監(jiān)測工作[1]。有學(xué)者研究指出,煤礦巷道安全監(jiān)測系統(tǒng)作為監(jiān)測各煤礦安全及管理的系統(tǒng),對煤礦安全生產(chǎn)運(yùn)行情況發(fā)揮著預(yù)測預(yù)報(bào)的作用[2]。

1 概述ZigBee 技術(shù)

ZigBee 作為根據(jù)IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)出來的無線通信技術(shù),在工業(yè)、日常生活、生產(chǎn)活動(dòng)中有良好的應(yīng)用前景。ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)如下：傳輸距離短：ZigBee 技術(shù)有效覆蓋范圍是10-75m,依據(jù)其發(fā)射功率及應(yīng)用模式不同而定；大容量：ZigBee 技術(shù)理想狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)可支持65000 多個(gè)節(jié)點(diǎn),而看似簡單的星型網(wǎng)絡(luò)只能容納1 個(gè)主設(shè)備及200 多個(gè)從設(shè)備,一個(gè)監(jiān)測地區(qū)能夠部署超過100 個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)[3]。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信內(nèi)GSM網(wǎng)有較多相似之處。安全性好：ZigBee 技術(shù)為數(shù)據(jù)提供完整性、私密性保護(hù)功能,利用AES-128 加密算法,應(yīng)用層按照具體要求實(shí)施配置；反應(yīng)迅速：ZigBee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)迅速,自休眠至激活、通信時(shí)延均比較短。一般情況下,休眠至工作狀態(tài)僅需15ms,節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)為30ms。低功耗：ZigBee 技術(shù)不同節(jié)點(diǎn)供電電壓設(shè)定為2-4V,實(shí)際工作狀態(tài)下,電流是十幾甚至幾十毫安,在休眠狀態(tài)下電流僅有幾微安[4]。

2 煤礦巷道安全監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

我國多數(shù)煤礦開采在地下礦井內(nèi),其環(huán)境比較負(fù)責(zé)、惡劣,且開采巷道比較黑暗、狹窄,具有較多的分支,坑坑洼洼,四周均為煤石,溫度較高、濕度大。由于礦井不斷開采其深度隨之增加,必須對系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性承受較大的考驗(yàn)。為確保煤礦安全及其正常生產(chǎn),必須對煤礦支架壓力數(shù)據(jù)展開實(shí)時(shí)監(jiān)測,確保煤礦生產(chǎn)工作安全進(jìn)行。處在相對復(fù)雜的空間中,需要把對網(wǎng)絡(luò)通信帶來影響的一系列因素進(jìn)行考慮,例如：井下生產(chǎn)環(huán)境等。良好的溝通作為系統(tǒng)需求分析成功的基礎(chǔ),經(jīng)調(diào)研走訪并與煤礦領(lǐng)導(dǎo)和工作人員開展溝通,明確安全監(jiān)測系統(tǒng)一系列功能,為煤礦巷道安全監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)。有線、無線、紅外等不同形式的通信方法均可用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò),但功率低、支持近距離傳輸?shù)臒o線通信更適合系統(tǒng)使用。分析發(fā)現(xiàn),ZigBee 無線短距離通信滿足井下無線組網(wǎng)相關(guān)需要,對煤礦巷道安全監(jiān)測系統(tǒng)中ZigBee 是最理想的一種。ZigBee 設(shè)置的協(xié)議棧相對小,通常嵌入至存儲(chǔ)量小的處理器內(nèi),具有較高的安全性,上述特性決定它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最佳的選擇?；诖?將ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于煤礦生產(chǎn)中,便于實(shí)時(shí)監(jiān)測礦井的環(huán)境溫度及氣體濃度分布情況,避免煤礦事故發(fā)生。

3 ZigBee 下安全監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)ZigBee 技術(shù)對煤礦巷道設(shè)計(jì)安全監(jiān)測系統(tǒng),主要由主站、上位機(jī)等構(gòu)成,所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測煤礦巷道頂板應(yīng)力及應(yīng)變狀況,依托計(jì)算機(jī)對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,用于評價(jià)煤礦巷道的結(jié)構(gòu)安全性,便于工作人員掌握煤礦巷道結(jié)構(gòu)情況,從而保證煤礦巷道的安全性。分站通過應(yīng)變片完成信號(hào)采集工作,從而將信號(hào)變成模擬信號(hào),進(jìn)行放大處理,把模擬電信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析,輸出巷道頂板受到的應(yīng)力[5]。主站可以對分站信號(hào)進(jìn)行采集,借助以太網(wǎng)將相關(guān)信號(hào)傳送到上位機(jī),系統(tǒng)依據(jù)得到數(shù)據(jù)評估煤礦巷道是否安全。

3.1.1 主站硬件

主站由以太網(wǎng)接口、液晶屏、主控制器、Flash 存儲(chǔ)器等,主站支持收集、分析、保存、傳送數(shù)據(jù)等操作,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。選取STM32 處理器作為控制器,也是開展井上、井下監(jiān)控的重要樞紐。設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)闹髡灸芨咝蕦?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送,設(shè)計(jì)人性化的人機(jī)交互操作界面,設(shè)置報(bào)警、實(shí)施分析功能,方便工作人員開展一系列的操作[6]。主站可以對該區(qū)域各分站狀況進(jìn)行分析與管理,支持?jǐn)?shù)據(jù)開展交互操作,展現(xiàn)出良好的數(shù)據(jù)分析能力,對不同測量地點(diǎn)的頂板應(yīng)力展開分析。此外,支持查詢歷史應(yīng)力信息以及曲線圖,通過存儲(chǔ)設(shè)備完成數(shù)據(jù)下載及保存操作,通ZigBee 協(xié)議與分站等進(jìn)行通信,達(dá)到數(shù)字化時(shí)代礦井建設(shè)的實(shí)際需求。

圖1 主站硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 分站硬件

無線應(yīng)力計(jì)是系統(tǒng)最底層的一種設(shè)施,可以開展終端數(shù)據(jù)采集、傳輸操作,其優(yōu)劣情況對整個(gè)系統(tǒng)的性能帶來影響。針對上述問題,對分站開展設(shè)計(jì)時(shí),要將各模塊實(shí)際需求考慮在內(nèi),便于設(shè)計(jì)出達(dá)到煤礦巷道實(shí)際需要的無線應(yīng)力計(jì)。依據(jù)煤礦巷道具體情況,挑選電阻應(yīng)變片當(dāng)做傳感元件,利用電測法將收集的應(yīng)力信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào),通過合理調(diào)整電路為微弱電壓信息開展放大操作。隨后,經(jīng)單片機(jī)處理后傳輸至主站。

（1）瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測電路：瓦斯主要成分為甲烷,它屬于一種無毒氣體,但如果人長時(shí)間處在高濃度瓦斯環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致死亡,加之,甲烷有可燃性、爆炸性特點(diǎn),煤礦生產(chǎn)中部分地點(diǎn)要求甲烷濃度不可大于1%。瓦斯?jié)舛葯z測電路包含信號(hào)放大電路、報(bào)警電路等部分構(gòu)成,采用MJC4/3.0L 型號(hào)的防爆傳感器,其結(jié)構(gòu)見圖2。如果瓦斯傳感器遭遇瓦斯其他,傳感器內(nèi)的電阻系數(shù)增大,輸出電壓也有相應(yīng)的變化,輸出電壓數(shù)值隨著被監(jiān)測甲烷濃度增加呈現(xiàn)正比例增大。

圖2 瓦斯傳感器電路示意圖

（2）CO 濃度監(jiān)測電路：CO 作為一種無色、無味氣體,如果CO 氣體上升至一定濃度遇火會(huì)發(fā)生爆炸。在煤礦礦井中部分工作面CO 濃度比較低,但盲巷空氣流動(dòng)性小,CO 氣體濃度比較高。想要對煤礦中CO 濃度進(jìn)行控制,通過MQ-7 傳感器對其開展檢測,傳感器電導(dǎo)率因CO 濃度上升有所增大,通過電路把電導(dǎo)率變成與該氣體相對應(yīng)的電壓信號(hào),如圖3 所示。

圖3 CO 氣體監(jiān)測電路

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主站是保證上位機(jī)與各分站進(jìn)行通信的重要橋梁,借助人機(jī)交互界面由STM32 處理器對這些分站實(shí)施管理,及時(shí)采集不同測量點(diǎn)的應(yīng)力信息,借助以太網(wǎng)接口把獲取的應(yīng)力數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)[7]。主站控制功能操作流程見圖4。無線傳感網(wǎng)絡(luò)想要獲得完整的數(shù)據(jù),底層協(xié)議按照IEEE8002.15.4 開展一系列設(shè)計(jì)。應(yīng)用層最佳的載荷為103Byte,利用主站命令式及分站協(xié)議,用戶能按照相應(yīng)的需求對數(shù)據(jù)包字節(jié)重新進(jìn)行定義,用戶能依據(jù)實(shí)際需求重新定義數(shù)據(jù)包內(nèi)的字節(jié)。

圖4 主站控制功能實(shí)現(xiàn)步驟

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果

對所設(shè)計(jì)煤礦巷道安全檢測的系統(tǒng)的各部分調(diào)試后,調(diào)試成功后安裝現(xiàn)場進(jìn)行測試。目前,該系統(tǒng)已用于某個(gè)煤礦有1 年的實(shí)際,其綜合性能能滿足現(xiàn)場設(shè)計(jì)的需要,特別是在設(shè)備維修、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取等方面具有良好的效果。

4.1 無線通信及應(yīng)力計(jì)測試結(jié)果

如果不存在較大干擾源的煤礦巷道對兩個(gè)分站傳輸距離展開測試,確保能可靠的完成數(shù)據(jù)傳輸,結(jié)果如表1 所示。分析上表數(shù)據(jù)可知,如果出現(xiàn)比較大干擾源,煤礦巷道不同分站最佳的傳輸距離為80m,滿足系統(tǒng)對于信號(hào)的可靠性、安全性方面的傳輸要求。對巷道拐角及粉塵濃度比較大的部位,通過RS485 總線實(shí)現(xiàn)通信,能有效提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,便于實(shí)時(shí)對煤礦巷道安全狀況進(jìn)行監(jiān)測[8]。

表1 無線信號(hào)傳輸距離結(jié)果

無線應(yīng)力計(jì)開展硬件測試的關(guān)鍵在于對靈敏度、誤差開展檢測,實(shí)際測試時(shí),先把無線應(yīng)力計(jì)與實(shí)驗(yàn)機(jī)聯(lián)系起來,依據(jù)操作規(guī)范對實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行一系列操作,依托轉(zhuǎn)變相應(yīng)的輸出應(yīng)力,歸納、分析無線應(yīng)力計(jì)輸出的相關(guān)數(shù)據(jù),見表2。分析下列數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),應(yīng)力處于1-275kN范圍之內(nèi),無線應(yīng)力計(jì)獲得真實(shí)、穩(wěn)定的結(jié)果,展現(xiàn)出靈敏度高、誤差小等特點(diǎn),能夠滿足系統(tǒng)用于煤礦巷道監(jiān)測的要求。

表2 應(yīng)力具體測量結(jié)果

4.2 系統(tǒng)測試分析

選用分站、主站分別為15 臺(tái)、1 臺(tái)進(jìn)行測試,用戶通過分析監(jiān)測各分站應(yīng)力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)是否存在異常。由于煤礦頂板圍巖極少出現(xiàn)改變,為監(jiān)測所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性,在其運(yùn)行一段時(shí)間后分析發(fā)現(xiàn),所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,便于對各分站運(yùn)行情況展開分析。觀測人員根據(jù)得到的檢測數(shù)據(jù)評估煤礦巷道頂板安全情況,便于制定合理的決策,及時(shí)排除隱患,從而減少煤礦巷道安全事故發(fā)生率。

5 結(jié)論

ZigBee 技術(shù)背景下對安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),這個(gè)系統(tǒng)利用無線應(yīng)力計(jì)替代有線網(wǎng)絡(luò)傳感器,與主站連接組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測巷道頂板形變等狀況,也能對煤礦巷道安全性、完整性進(jìn)行評估,進(jìn)一步預(yù)測煤礦巷道是否會(huì)發(fā)生塌方的情況。此外,對系統(tǒng)展開測試,測試結(jié)果證實(shí),該系統(tǒng)展現(xiàn)出操作簡單、誤差小等優(yōu)點(diǎn),為巷道穩(wěn)定性評價(jià)、預(yù)警提供一定的參考。