鄭曉亮，陳 旭，苗彥平，常波峰，趙義元，鄭旭鶴，李俊虎

(1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001；2.陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

為滿足現(xiàn)代化高效煤礦的生產(chǎn)要求，柴油膠輪運輸車被大量用于開采作業(yè)，以蒙陜晉三省礦區(qū)為例，年產(chǎn)千萬噸以上礦井車輛保有量在150臺左右，千萬噸以下礦井車輛保有量也在100臺左右。柴油機尾氣以粉塵、COx、NOx、SOx、VOCs為主，柴油機燃燒特性受空燃比影響，含氧量與尾氣毒害成分濃度呈反比[1-3]。尾氣毒害成分使得井下不佳的空氣質量雪上加霜，對作業(yè)人員的身體健康造成極大傷害[4]。

對此國家頒布了《工作環(huán)境場所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ 2.1—2007)[5]、《密閉空間作業(yè)職業(yè)病危害防護規(guī)范》(GBZ/T 205—2007)等標準，標準規(guī)定了作業(yè)環(huán)境的各成分濃度限值，為系統(tǒng)設計提供了參考。系統(tǒng)設計方面，有學者以作業(yè)人員為對象研發(fā)基于人體PPG信號的人因參數(shù)監(jiān)測與預警裝備系統(tǒng)[6，7]，但監(jiān)測參數(shù)少、出發(fā)點為保證人員安全，無法評估人體受損程度；其他系統(tǒng)多采用無線通訊、多傳感器、在線監(jiān)測等技術設計[8-13]。

針對上述問題，設計了煤礦井下柴油膠輪運輸車尾氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對粉塵、COx、NOx、SOx、VOCs與O2的監(jiān)測，為礦區(qū)提供實時數(shù)據(jù)，控制通風量與生產(chǎn)計劃達到人員健康與產(chǎn)量的平衡。

1 系統(tǒng)結構

煤礦井下防爆柴油機無軌膠輪車在線監(jiān)測系統(tǒng)總體框架如圖1所示，系統(tǒng)由三部分組成：①傳感器節(jié)點：完成粉塵、COx、NOx、SOx、VOCs與O2數(shù)值的采集再發(fā)送至終端節(jié)點；②協(xié)調器：完成傳感器節(jié)點監(jiān)測數(shù)值的匯聚與無線收發(fā)工作；③監(jiān)控主機：接收協(xié)調器的匯聚數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)作可視化處理并將數(shù)據(jù)代入預警模型。

圖1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)具有如下特點：①利用LoRa技術為傳感器節(jié)點與協(xié)調器之間建立網(wǎng)絡信道，功耗低且通信距離遠；②集中器可收集匯聚多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，可根據(jù)礦區(qū)特點設置集中器位置，避免信號衰減造成數(shù)據(jù)丟失；③傳感器節(jié)點可選配搭載在井下車輛上，采用車輛供電，針對車輛駕乘環(huán)境進行監(jiān)測；④集中器可采用4G/5G/Wi-Fi等通信模式與監(jiān)控主機建立網(wǎng)絡通信；⑤傳感器節(jié)點采用STM32系列芯片作為主控芯片，搭配高精度A/D轉換芯片與放大電路實現(xiàn)百萬分比濃度監(jiān)測；⑥監(jiān)控主機采用Java-web技術設計，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示、報警監(jiān)測、設備管理等功能；⑦設備均采用本安設計，滿足井下使用需求。

2 傳感器節(jié)點硬件設計

系統(tǒng)以STM32F103RCT6為核心，主要由采集放大電路、A/D轉換電路、LoRa通訊模塊、EEPROM模塊、儲存模塊、顯示模塊、聲光報警模塊與電源模塊組成，系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。采集放大電路與A/D轉換電路完成傳感器數(shù)據(jù)采集，采集信息包括NO、NO2、CO、CO2、O2、VOCs、PM2.5、PM10這八類參數(shù)，通過采用不同傳感器探頭類型完成上述參數(shù)數(shù)據(jù)采集；LoRa通訊模塊負責將主控模塊分析整理完的數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡發(fā)送到協(xié)調器中；儲存模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)備份的功能，顯示模塊能為作業(yè)人員提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)硬件邏輯

傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過采集放大電路、A/D轉換電路處理后由主控芯片將數(shù)據(jù)儲存在儲存模塊中并通過串口發(fā)送至LoRa通訊模塊再向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將投送到傳感器節(jié)點LCD屏幕上。

2.1 放大電路

為滿足系統(tǒng)高靈敏度與高精度的要求，采用了高精度指標的MCP609-I/SL系列運算放大芯片，此芯片具有低輸入失調電壓(250μV)、低輸入偏置電流(80pA)、低靜態(tài)電流(25μA)，傳感器信號經(jīng)由放大電路處理后進入A/D轉換芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)放大功能。

2.2 A/D轉換模塊

系統(tǒng)基于CS1237芯片設計A/D轉換模塊以滿足百萬分比級別的檢測精度，電路有效分辨率可達20位。CS1237是一款高精度、低功耗的數(shù)模轉換芯片，內置溫度傳感器與高精度振蕩器，實際工作時，可通過程序設計實現(xiàn)溫度補償功能，使用USRT3接口與主控MCU通信，實現(xiàn)主控模塊與傳感器之間的數(shù)據(jù)通訊，A/D轉換電路如圖3所示。A/D模塊工作時需要高精度的參考電壓，系統(tǒng)采用REF3025芯片設計參考電壓電路，該芯片具有高精度(0.2%)、低壓差(1mV)、工作范圍廣以及出色的特定溫漂性能，滿足A/D轉換芯片所需要的高精度的參考電壓。參考電壓電路如圖4所示。

圖3 A/D轉換電路

圖4 參考電壓電路

2.3 LoRa通訊模塊

LoRa通訊模塊選用SX1278作為射頻芯片，通過SPI接口與單片機連接，用于對射頻信號進行半雙工處理，具有低功耗、遠距離通訊、信道帶寬大的性能特點，傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)被打包成LoRa數(shù)據(jù)包結構，經(jīng)CRC校驗后，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點，再由協(xié)調器執(zhí)行下一步的數(shù)據(jù)傳輸工作。

2.4 EEPROM模塊

采用24C02芯片作為核心設計EEPROM模塊，該芯片性能穩(wěn)定，作業(yè)要求低、可寫入次數(shù)多，具有掉電保存功能，防止因掉電導致系統(tǒng)宕機的問題。EEPROM電路如圖5所示。

圖5 EEPROM儲存電路

2.5 儲存模塊

儲存模塊采用W25Q128芯片作為核心設計儲存電路，該芯片擦寫次數(shù)可達10萬次，理論上具有20年的數(shù)據(jù)保存期限，具有輸入輸出速度快、數(shù)據(jù)儲存量大的特點，滿足傳感器的數(shù)據(jù)儲存需求。芯片通過SPI總線與主控芯片相連接，W25Q128儲存模塊電路如圖6所示。

圖6 W25Q128儲存模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 傳感器節(jié)點軟件設計

傳感器節(jié)點軟件工作流程如圖7所示，首先對MCU進行初始化，完成時鐘、串口、SPI接口、I2C接口、IO口的初始化。利用自檢功能對LoRa通訊模塊是否在線進行檢測，再通過對A/D轉換電路初始化，將ADC配置為查詢模式采集傳感器探頭的輸出電壓，接著帶入溫補標較公式作數(shù)據(jù)的最終標定得出實時值，最后主控芯片將數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送至LoRa通訊模塊并投放LCD屏顯示。

圖7 傳感器軟件工作流程

3.2 協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器能夠采集傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，處理完畢后將數(shù)據(jù)投放至協(xié)調器LCD屏便于巡檢員日常記錄檢查。首先協(xié)調器要進行系統(tǒng)初始化并進行自檢，再完成CRC校驗程序、數(shù)據(jù)收發(fā)、LCD顯示等任務。如果采集到正確的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)則將數(shù)據(jù)顯示并使用4G/5G、WiFi協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至井下通信網(wǎng)絡中。監(jiān)測分站軟件工作流程如圖8所示。

圖8 監(jiān)測分站軟件工作流程

3.3 網(wǎng)絡配置

系統(tǒng)采用串行傳送形式，配置1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位與奇偶校驗位同時配置LoRa模塊工作模式并配置內部參數(shù)以符合系統(tǒng)需求，設定查詢報文與回報報文格式，通過識別標識地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、CRC校驗碼完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 上位機軟件設計

上位機系統(tǒng)采用JAVA WEB技術設計，主要包括以下幾個功能：實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、設備狀態(tài)管理與預警信息管理等功能。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)查詢、儲存、預警、檢修等功能，滿足對井下柴油膠運車的尾氣成分的在線實時監(jiān)測與歷史查詢，安監(jiān)人員通過上位機系統(tǒng)管理設備并通過預警信息產(chǎn)生的報表了解井下情況合理安排通風量、人員作業(yè)強度、井下設備運作強度。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)組裝完成后，在實驗室對系統(tǒng)主要功能進行了檢測，包括傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集功能、協(xié)調器與傳感器節(jié)點、協(xié)調器與上位機之間的通訊功能。驗證了傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的精準度以及整個系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性上位機能夠通過礦區(qū)內網(wǎng)采集各協(xié)調器中的數(shù)據(jù)，能夠正常顯示實時監(jiān)測值，功能性完善、操作簡單、安全性高，支持雙機備份，滿足作業(yè)現(xiàn)場使用需求，達到預期目標。

測試完成后，通過對某礦的調研考察，決定在各回風巷、交變電所、安監(jiān)系統(tǒng)等地設置協(xié)調器，綜合考慮井下巷道與車輛主要途徑地，在避險硐室、回風斜井、各測風站、各回風口、兩個回采面回風巷、南-2變電所、外撤架巷、備車硐室等地作業(yè)車輛設置CO、CO2、NO、NO2、O2傳感器；在一聯(lián)巷、七聯(lián)巷、南-1變電所、十三聯(lián)巷、十七聯(lián)巷、二十三聯(lián)巷、二十七聯(lián)巷等地作業(yè)設置粉塵傳感器與VOCs傳感器，撤架巷板車搭載傳感器測試數(shù)據(jù)如圖9所示，數(shù)據(jù)顯示十二點左右，碳氧化物濃度在車輛作業(yè)時激增，氧氣含量有明顯的下降趨勢。

圖9 傳感器測試數(shù)據(jù)

根據(jù)GBZ 2.1—2007《工作環(huán)境場所有害因素職業(yè)接觸限值》中規(guī)定的污染物濃度限值劃定五個等次分別為安全、較安全、一般、危險、極度危險，五個等級對應不同的報警等級，報警方式包括：聲光報警、上位機報警、短信報警等。危險等級劃分標準見表1。

表1 危險等級劃分標準

5 結 語

本文設計了一種煤礦井下空間尾氣在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用LoRa協(xié)調器搭配LoRa無線傳感器，實現(xiàn)井下尾氣監(jiān)測，節(jié)省布線成本，可根據(jù)作業(yè)進度隨時更換傳感器搭配組合，在煤礦井下應用范圍廣，組合程度高，可在井下大型綜采面、輔運巷道、大型變電站、備車區(qū)中的狹窄環(huán)境下使用多個傳感器實時監(jiān)測污染物濃度，數(shù)據(jù)可用作安監(jiān)人員監(jiān)控煤礦井下柴油膠運車尾氣排放情況，產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)可作為設定生產(chǎn)計劃時的重要參考，包括控制機械設備啟動時間、設備工作時長、環(huán)境送風量、人員工作時間，井下人員與設備數(shù)量等。實際測試情況證明：系統(tǒng)具有高精度、拓展性強、參數(shù)漂移小、反應速度快等優(yōu)點，滿足設計需求。