基于物聯網的煤礦安全監測系統研究

張雪平,楊興全

(1.宜賓學院電子科學與技術研究所,四川宜賓,644000; 2.四川化工職業技術學院,四川瀘州,646000）

基于物聯網的煤礦安全監測系統研究

張雪平1,楊興全2

(1.宜賓學院電子科學與技術研究所,四川宜賓,644000; 2.四川化工職業技術學院,四川瀘州,646000）

本文提出了一種新型的煤礦物聯網生產安全監測系統結構，分析了煤礦物聯網的系統配置及其特點，闡述了物聯網下煤礦生產安全監測系統的實現方式，完成了煤礦井下節點主要芯片的選型與外圍電路設計。

物聯網；煤礦；安全監測

0 引言

傳統意義上的煤礦監測控制系統主要是由井上控制中心與現場測控分站等兩個部分構成，屬于集中控制模式。這一模式實時性差，兼容性也不好。鑒于以太網技術的發展，煤礦井下網絡開始應用高速工業以太網，光纖通信網絡、電腦網絡以及嵌入式系統等一系列先進技術被運用于其中。然而，這類有線系統尚存在著速率不高，覆蓋面較小、靈活性不夠等問題。為此，筆者將新型傳感器、無線傳感器網絡以及射頻識別等技術于一體的物聯網技術應用到煤礦安全生產之中，從而為現代煤礦企業的安全生產提出了新的發展方向。物聯網作為物、物相連的互聯網絡，是現代信息技術的重要組成部分之一，其本質在于互聯網的特征，要確保互聯與互通，具有自動識別、無線通信、自我反饋和智能控制等多種功能。

1 煤礦物聯網生產安全監測系統結構

煤礦物聯網采取有線加無線的綜合性網絡結構體系，在現有的工業以太網基礎上增加物聯網傳感器以及無線寬帶技術，從而構建起無線傳感與光纖傳輸網絡，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

系統將礦井的網絡體系分成信息管理層、接入層和設備層。以工業以太環網和工業現場總線為基礎構建綜合數字化信息傳輸平臺，以組態軟件和實時數據庫為基礎，利用網絡技術和工業總線技術將礦井設備的數據通過工業以太網協議傳到調度控制中心統一的軟件平臺，實現在調度控制中心對生產設備集中監控，提高生產過程的管理能力和技術水平。地形較為開闊和便于布線的大巷區域運用光纖工業以太網加上現場總線的網絡結構，作為實施井下監控的主要網絡，無線傳感器主要架設于地形較為崎嶇、人員難以到達的地區，例如，老空堂、井筒和工作面上事故多發區等。如此網絡結構能覆蓋井下所有區域，從而現全面覆蓋。嵌入式綜合接入網關則能實現光纖骨干網絡、無線傳感器網絡之聯結，無線傳感器網絡與有線傳感器網絡能夠把搜集到的數據運用光纖骨干網傳輸至地面上的控制中心，中心視頻監視設備與數據分析設備即可對生產的全過程實施全面、實時監控。如果發生了事故，控制中心還可依據監測到的實時畫面與數據，對相關人員實施指揮，并且發出必要的警報。同時，聚類分層網絡結構則能更為有效地解決井下網絡具有的面積較大、覆蓋困難、移動節點多等諸多問題。信息管理層又可以分成兩大部分，安全保障和生產組織管理。相關管理人員可以利用計算機技術全面監測礦井的生產狀況，一旦發現異常現象就及時采取相應的措施消除不良影響，保證礦井施工的安全。同時，還可以獲取大量的生產組織管理數據資料，并通過生產調度、機電管理、物流管理、工業自動化控制等方面協同工作，大大提高工作效率。接入層是網絡體系的核心層，采用礦用多路光纖多種業務接入平臺，獲取大量數據信息，并通過相應的設備進行數據處理，保證網絡系統的正常運行。設備層則主要是多種設備同時運行，這些設備工作質量和運行的正常與否直接關系到信息管理層獲取數據的準確性以及礦井安全生產組織管理效果。設備層有通信設備、考勤定位設備、井下攝像儀、工業大屏、現場控制設備、應急救援通信設備、通風設備等。

2 物聯網下煤礦安全監測系統配置及其特點

煤礦安全生產監測系統的主要宗旨是為客戶提供綜合性的全面解決方案，從而改造原有的煤礦井下生產體系，建立起融合工作監控、設備控制以及系統檢測等多種功能于一體的監控體系，從而構建監控平臺，在統一網絡監控體系上對多種電器設備運行情況以及煤礦安全環境實施，更加有效的監控，實現對煤礦整體自動化系統實施組態設計。具體來說，物聯網下煤礦安全監測系統配置具有以下特點：其一是高速性。為確保煤礦井下生產數據的處理具備快速性、穩定性以及可靠性，煤礦整體自動化系統通過兩臺以上的核心交換機以提供充分的保障。其二是存儲性。煤礦自動化物聯網系統所具有的安全信息來自于各子系統的基礎性數據。以上安全數據信息運用光纖環網進行實時采集，并且能將以上信息進行存儲，以備查閱與分析，還能實施災難預警。其三是共享性。運用物聯網系統能全面實現資源共享，企業客戶可運用物聯網系統瀏覽與管理有關的數據。同時，企業管理人員也可運用物聯網了解企業的實時生產信息，從而便于企業管理者及時做出相應的決策。其四是安全性。煤礦自動化物聯網可應用企業級殺毒軟件以及高端硬件防火墻，從而保障物聯網系統的安全。其五是穩定性。煤礦自動化物聯網系統采用瀏覽器與客戶端結構，確保數據穩定、高速、流暢。

3 物聯網下煤礦安全監測系統實現方式

3.1 安全監測系統的接入方式

基于物聯網技術的煤礦安全監測系統可運用以下接入方式加以保障：一是OPC方式，接入安置OPC服務器實現數據之間的相互交換，運用控制工作面單元橋接與調節通訊應用程序，從而實現各類實時數據的存儲、提供以及使用。通過在管控網絡單元的服務器中設計有支持OPC協議的組態軟件，可直接與具有OPC服務器的現場單元系統存取數據，便可以與數據源進行通訊程序和現場過程控制建立橋梁，相互之間進行實時數據交換。二是數據庫接入方式。物聯網的其它數據庫以及地面控制中心的組態軟件原來就有連接的接口，只需開發相應的組態軟件即可輕松實現連接。三是以太網接入方式。如今，煤礦井下主要運用的是RS485、422與CAN總線，這類設備的實時采集數據難以直接連接交換機，需要進行轉換才能傳輸至安全信息服務器中，而應用以太網就能彌補RS485、422以及CAN等不足，從而做到揚長避短，更好地發揮作用。通過數據轉換協議將實時采集的數據轉換成支持工業以太網協議的實時數據，并將其傳輸給交換機，然后再由采集服務器對數據進行統一處理，便可以實時獲取大量的數據信息，提高礦井安全性。四是QWT198接入方式。由于我國經濟的持續發展，出現了礦用隔爆交換機，具備了CAN以太網信號的轉換方式。

3.2 井下無線監測節點硬件設計

（1）井下基站

基站由無線收發模塊，16位超低功耗微處理器MSP430共同構成。基站是整個系統的樞紐環節，是實現識別卡一基站一分站之間的順利通訊的保證。無線收發模塊不僅可以作為待定節點用于定位數據收發，還可以配置與基站用作調節器功能實現數據收發。多種工作模式使其尤為適應要求功耗較低的系統，運行模式之間的快速轉換也進一步確保芯片低能源消耗。基站硬件核心由MSP430F449, CAN控制器MCP2515, CAN收發器TJA1050共同構成，主要實現將無線通信模塊發送的數據和基站編號，結合時間一起封裝成為符合CAN總線傳輸協議的標準數據幀等待查詢命令上傳到分站。MSP430系列單片機的CPU采用16位精簡指令系統，寄存器資源豐富，芯片處理控制能力強大和操作方式簡單靈活。各存儲器均采用同一結構，就使得芯片外圍模塊寄存器的操作像普通RAM單元一樣方便、靈活。另外該芯片具有較強的外圍模塊擴展能力，完善的功耗管理部件，保證了軟件可以靈活地設置CPU的各種工作方式，在滿足性能的基礎上最大幅度降低功耗。

（2）井下分站

分站采用DSP微處理器及其擴展的串口、JTAG接口等組成。DSP微處理器選用C2000平臺上的定點32位DSP芯片TMS320F2812。該芯片適合用于工業控制，電機控制等，用途廣泛，相當于單片機的升級版。分站主要完成的任務有：采用定時輪詢的方式將各個基站存儲的數據通過CAN總線匯總，將信息分解提取有用信息，進行定位計算，得到無線識別卡的精確位置并將其與解譯出的時間信息存儲，等待井上監控機的調度顯示。TOP2812可實現快速的大量數據運算和算法要求，擁有大量的外設資源，高達128字節的程序存儲閃存，128字節的只讀存儲器，具有8位WDT模塊，高速SPI接口，最多可實現45個外設中斷。

（3）主芯片選型

基站主芯片采用CC2430芯片,硬件設計結構如圖2所示。CC2430整合了ZigBee射頻（RF），符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的無線電收發，具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能。射頻輸入輸出端口獨立，不需要外部TX/RX開關，芯片自天線之間的電路架構由平衡/非平衡器與少量低價電容與電感組成，可替代平衡式天線，無線節點電路如圖3所示。

圖2 無線節點硬件

圖3 無線節點電路

3.3 外圍電路設計

（1）電源模塊

供電系統模塊為其他模塊提供工作所需的電能，保證節點的正常工作。由于無線傳感網絡節點的可移動性，電源采用干電池供電的方式。整個系統輸入為2A的開關電源，為保持統一，ZigBee模塊同樣采用SV供電，采用LM1117作為穩壓器將不夠穩定的SV電壓轉化為穩定的3.3V電壓，C16，L4和C17組成I-I型濾波電路，D1發光二極管為電源指示燈。

（2）JTAG調試模塊

通過20針標準JTAG調試口插座與CC2530連接，CC2530支持SWD調試，標準的JTAG調試需要占用5個I/O口，而用SWD則只需要2個I/O口，大大節約了I/O數量，調試主要用到SWDIO 、SWCLK和復位引腳，SWCLk為調試時鐘，SWDIO為調試數據，JTAG nRST為低電平有效的復位信號，此接口連接仿真器Jlink即可對ZigBee模塊進行下載或仿真。

（3）串口模塊

串口是傳統的PC接口，本系統采用串口連接協調器和PC機實現數據的交互。但CC2430串口輸出電平為CMOS電平，與PC機串口電平不匹配，需要一個電平轉換電路將兩種電平進行匹配，這里采用9芯的MAX202作為RS232標準接口。

（4）復位電路

VCC上電時，當S1松開，電容充電，在R15上出現電壓，使得系統復位；幾毫秒后，電容充滿電，R15上的電流、電壓均為0，JTAG nRST降為低電平，使系統進入工作狀態；當按下復位鍵S1時，電容放電，JTAG nRST直接與VCC連接，即為高電平，此時進入復位狀態。

4 結束語

煤礦生產系統十分復雜，工作環境極為惡劣，人員相對集中，而且地質條件變化多端，在井下工作往往會出現新情況，一旦無法及時采取合理措施，就可能會造成災難。煤礦物聯網安全監測系統結合了煤礦原有的工業以太網，應用了傳感器技術以及無線寬帶技術，以工業以太網為基礎網絡而構建。這一網絡能夠較好地滿足煤礦井下安全監管、報警以及應急事件處理等各項需求，從而真正實現了煤礦安全生產控制、實時監測、人員跟蹤、災害預警以及搶險救災等諸多功能，從而為煤礦安全生產提供良好的保障。

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[2] 李崢,苗曙光. ZigBee無線傳感器網絡在礦井巷道監測系統中的應用[J].儀表技術與傳感器,2010.8:57-59.

[3] 蔣恒深,張曉光，李輝，仝維仁.基于Zigbee的綜采工作面設備及環境遠程監測系統設計[J].儀表技術與傳感器,2010.9:36-39.

Research of Coal Mine Safety Monitoring System Based on Internet of Things

Zhang Xueping1,Yang Xingquan2
(1.Yibin University Electronic Science and TechnologyInstitute,Yibin,644000,Sichuan China; 2.Sichuan Vocational College of Chemical Technology,Lu Zhou,646000,Sichuan,China)

This paper presents a new type of coal mine production safety monitoring system network structure,analysis of the system configuration and the characteristics of coal mine Internet of things, the implementation of coal mine production safety monitoring system of Internet of things, completed the selection and coal mine main chip nodes around circuit design.

internet of things；coal mine；Safety monitoring

四川省宜賓市重點科技項目（編號：2011GY028）