基于物聯(lián)網(wǎng)礦井瓦斯動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晏 勇, 周相兵

(阿壩師范學(xué)院 a.物理與電子科學(xué)系； b.網(wǎng)絡(luò)管理中心，四川 汶川 623002)

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基于物聯(lián)網(wǎng)礦井瓦斯動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晏 勇a, 周相兵b

(阿壩師范學(xué)院 a.物理與電子科學(xué)系； b.網(wǎng)絡(luò)管理中心，四川 汶川 623002)

在礦井中布置瓦斯氣體傳感器與溫濕度傳感器感知環(huán)境狀況，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，地面監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)礦井瓦斯?jié)舛炔㈩A(yù)警。規(guī)劃設(shè)計(jì)了井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成終端節(jié)點(diǎn)控制器CC2530軟硬件設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)器CC2530組網(wǎng)與無線數(shù)據(jù)封裝、解析算法設(shè)計(jì)，地面監(jiān)控中心圖形化界面設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，達(dá)到了礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控的各項(xiàng)指標(biāo)、無漏報(bào)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，精度高，保障了煤礦安全生產(chǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 瓦斯監(jiān)測(cè)預(yù)警； 嵌入式網(wǎng)關(guān)； CC2530； 圖形化界面

0 引 言

煤炭是支撐工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，我國已探明可開采的煤炭儲(chǔ)量居世界第二，產(chǎn)量居世界第一，也是礦難頻發(fā)的國家之一，百萬噸煤死亡率較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)2011-2013年我國煤礦發(fā)生安全生產(chǎn)事故遇難礦工分別為469、435、322人，煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)事故逐年下降但總體形勢(shì)不容樂觀。目前煤礦安全生產(chǎn)主要威脅有瓦斯、透水、粉塵、火災(zāi)、頂板等事故，其中瓦斯事故占80%以上，是煤礦頭號(hào)安全隱患，做好井下瓦斯監(jiān)控與預(yù)警能有效降低礦難事故的發(fā)生。

據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，凡有人作業(yè)的巷道及設(shè)備安裝地點(diǎn)附近20 m內(nèi)，瓦斯?jié)舛炔怀^1%，瓦斯?jié)舛瘸?%不能開啟機(jī)電設(shè)備，人員迅速撤離，做好通風(fēng)換氣工作；采掘工作面溫度不超過26 ℃，機(jī)電室溫度不超過30 ℃，超過規(guī)定溫度立即停工、撤離人員。

本文根據(jù)四川阿壩州礦井作業(yè)環(huán)境與條件，將智能化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與礦井瓦斯監(jiān)控與預(yù)警相結(jié)合，在井下建立瓦斯動(dòng)態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)檢測(cè)礦井瓦斯含量，地面建立有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控瓦斯含量并預(yù)警，有效提高了礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控能力，降低礦難發(fā)生概率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)由井下瓦斯檢測(cè)與地面監(jiān)控兩個(gè)部分組成，井下瓦斯檢測(cè)是系統(tǒng)的核心，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)組成物聯(lián)網(wǎng)感知層，通過ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)時(shí)采集井下瓦斯?jié)舛取⑷藛T信息、溫度信息并將采集數(shù)據(jù)傳送地面監(jiān)控中心，井下部分包括井下瓦斯檢測(cè)、溫度檢測(cè)，人員定位[1]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層由地面監(jiān)控中心組成，分析感知層采集的各種檢測(cè)與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)煤礦事故預(yù)警功能[2]。網(wǎng)絡(luò)層是井下感知層與地面的數(shù)據(jù)交換中心，采用有線傳輸技術(shù)提高采集數(shù)據(jù)傳輸精度[3]，實(shí)現(xiàn)井下與地面數(shù)據(jù)雙向傳輸。井下電源使用礦用本質(zhì)安全電源提高電源安全與穩(wěn)定度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有兩種地址即終端節(jié)點(diǎn)控制器CC2530為全球唯一硬件64 bitsMAC物理地址，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器分配的16 bits網(wǎng)絡(luò)識(shí)別號(hào)PANID，將每一名礦工配置一個(gè)CC2530終端節(jié)點(diǎn),通過硬件MAC地址識(shí)別礦工位置與身份。終端節(jié)點(diǎn)采集瓦斯信號(hào)與溫濕度信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、嵌入式網(wǎng)關(guān)上行至控制中心,當(dāng)超過設(shè)定閥值立即報(bào)警，實(shí)現(xiàn)礦井實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警[4]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

礦井網(wǎng)絡(luò)無線通信采用全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的近距離、低速率雙向無線通信技術(shù)ZigBee協(xié)議。ZigBee協(xié)議基于IEEE802.15.4協(xié)議[5]，工作在國際公共免費(fèi)頻段2.4 GHz，數(shù)據(jù)最高傳送速率250 Kbps，最大可靠傳輸距離50 m。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為全功能設(shè)備FFD與半功能設(shè)備RFD，F(xiàn)FD設(shè)備可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立、維護(hù)與管理，F(xiàn)FD設(shè)備可與FFD設(shè)備通信也可與RFD設(shè)備通信，RFD作為終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，只能與FFD設(shè)備通信，RFD設(shè)備間數(shù)據(jù)不能通信[6]。

煤礦井下自然環(huán)境惡劣情況復(fù)雜，井下終端節(jié)點(diǎn)多,移動(dòng)性強(qiáng),礦井掘進(jìn)長度與深度不同,終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷改變更新，數(shù)據(jù)靜態(tài)路由與動(dòng)態(tài)路由并存，要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、復(fù)雜條件下自適應(yīng)與自愈性強(qiáng)[7-8]。根據(jù)礦井環(huán)境與井下瓦斯監(jiān)測(cè)的要求，系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。將礦井內(nèi)的無線傳感器感知節(jié)點(diǎn)以自組織的形式組成為若干簇，每個(gè)簇選出簇首，實(shí)時(shí)收集、處理、整合本簇內(nèi)傳感器采集的信息，簇以簇首為中心呈星形分布，每個(gè)簇首能檢測(cè)50 m內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置智能匯聚節(jié)點(diǎn)，接收簇首處理整合后的數(shù)據(jù)信息并傳輸至系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)上傳至地面監(jiān)控中心發(fā)出安全預(yù)警信號(hào)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端控制器采用德州儀器TI公司無線射頻器件CC2530，兼容ZigBee無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸頻率2.4 GHz，內(nèi)置資源豐富包含增強(qiáng)型8051內(nèi)核、8 Kbytes SRAM、256Kbytes Flash、1個(gè)16 b定時(shí)器、3個(gè)8 b定時(shí)器、1個(gè)12 b AD轉(zhuǎn)換器、雙串口、1個(gè)看門狗等，操作使用方便[10-11]。

礦井瓦斯?jié)舛葯z測(cè)采用電調(diào)制非分光紅外NDIR氣體分析技術(shù)，當(dāng)紅外光穿過待測(cè)氣體時(shí)，待測(cè)氣體分子對(duì)特定波長的紅外光具有一定吸收作用，并符合Lambert Beer吸收定律。終端節(jié)點(diǎn)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)傳感器采用德國Smart Gas公司研發(fā)傳感器SM-MAL[12]。SM-MAL瓦斯傳感器采用雙光束非分光紅外線檢測(cè)技術(shù)，具有Modbus ASCII協(xié)議全數(shù)字量輸出精度高，抗其他氣體干擾、保養(yǎng)維護(hù)簡便使用壽命長、穩(wěn)定性好、自帶溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，適用礦井瓦斯檢測(cè)等場(chǎng)合。SM-MAL采用三線SPI通信接口，SM-MAL傳感器CS引腳、SCLK引腳、SDIO引腳分別于終端控制器CC2530相連即可實(shí)現(xiàn)瓦斯數(shù)據(jù)采集。

瓦斯?jié)舛葯z測(cè)傳感器SM-MAL，瓦斯?jié)舛葴y(cè)試精度與作業(yè)面溫度有很大關(guān)系，當(dāng)作業(yè)面溫度為17～21 ℃時(shí)，誤差最小為0.05%，作業(yè)面溫度為21～25 ℃誤差較小為0.1%。數(shù)字溫濕度傳感器選用DHT11，采集溫濕度信號(hào)全數(shù)字量輸出，內(nèi)部集成NTC原件與濕敏器件，14 B A/D轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)據(jù)自動(dòng)校正，+(3～5)V電壓供電，溫度、濕度測(cè)試范圍分別為0～90 ℃、20%～90%，精度分別為±1 ℃、±1%。DHT11采用標(biāo)準(zhǔn)4腳排針封裝，DATA引腳與終端控制器CC2530I/O口連接，采用單線雙向通信模式實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集。終端節(jié)點(diǎn)硬件原理見圖3。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

2.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心主要完成網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、維護(hù)、管理、數(shù)據(jù)傳輸、封裝與協(xié)議解析，協(xié)調(diào)器接收終端控制器終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)關(guān)，接收網(wǎng)關(guān)控制信號(hào)下傳終端控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路維護(hù)。協(xié)調(diào)器硬件電路與終端終端控制器基本相同，采用TI公司CC2530作為核心器件，完成組網(wǎng)與數(shù)據(jù)通信[13]。

2.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)是井下數(shù)據(jù)與地面數(shù)據(jù)傳輸與交換中心，終端節(jié)點(diǎn)采集感知數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上行至地面控制中心，控制數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)下行終端節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用意法半導(dǎo)體公司基ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型嵌入式系統(tǒng)處理器STM32F103ZET6，最高時(shí)鐘頻率72 MHz，512 KB Flash、64 KB SRAM，工作電源電壓+(2.0～3.6)V，最大工作電流36 mA。協(xié)調(diào)器CC2530與網(wǎng)關(guān)嵌入式系統(tǒng)STM32接口簡單，采用串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上行與下行。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)控制器軟件設(shè)計(jì)

Z-Stack協(xié)議棧是德州儀器TI公司在國際互連OSI七層模型基礎(chǔ)上，開發(fā)的基于IEEE802.15.4無線數(shù)傳輸規(guī)范，協(xié)議規(guī)定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件與硬件協(xié)同與調(diào)度，數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)[14]。Z-Stack協(xié)議棧包含數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、安全服務(wù)層，終端控制器CC2530按Z-Stack協(xié)議棧數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)封裝發(fā)送感知節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器接收終端數(shù)據(jù)并解析，上傳至系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，由系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)處理后發(fā)送控制命令，由協(xié)調(diào)器封裝下行至終端節(jié)點(diǎn)[15]。

3.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建、管理、維護(hù)，允許其他節(jié)點(diǎn)加入與退出網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器上電后進(jìn)行軟硬件與網(wǎng)絡(luò)初始化，判斷是否存在網(wǎng)絡(luò)，存在終端節(jié)點(diǎn)可以直接加入網(wǎng)絡(luò)，不存在網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器組建新網(wǎng)絡(luò)，通過信道能量掃面檢測(cè)當(dāng)前空閑信道，判斷信道沖突與干擾，將當(dāng)前空閑行到作為網(wǎng)絡(luò)通信信道。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后為網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)16 b網(wǎng)絡(luò)地址并允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)地址0X0000。網(wǎng)絡(luò)建立成功后執(zhí)行任務(wù)輪詢操作，調(diào)用事務(wù)處理函數(shù)[16]，協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程如圖4。

圖4 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)封裝與解析，發(fā)送方數(shù)據(jù)幀從高層到低層依次通過Z-Stack協(xié)議棧，通過協(xié)調(diào)器封裝與解析。Z-Stack協(xié)議棧運(yùn)行采用時(shí)間片輪詢OSAL調(diào)度機(jī)制，包括系統(tǒng)啟動(dòng)、軟硬件初始化、建立任務(wù)鏈表、比較任務(wù)優(yōu)先級(jí)、調(diào)用任務(wù)處理函數(shù)，完成輪詢?nèi)蝿?wù)的處理[17-18]，OSAL輪詢調(diào)度流程如圖5。

圖5 OSAL輪詢調(diào)度流程圖

綁定指在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)流向的監(jiān)控體系，協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)通信前首先應(yīng)完成設(shè)備綁定。綁定分為兩種形式，一種已知目的地址綁定與未知目的地址綁定，礦井瓦斯檢測(cè)利用終端節(jié)點(diǎn)MAC地址，采用已知目的地址方式建立綁定。首先協(xié)調(diào)器接收終端設(shè)備綁定請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器查詢終端設(shè)備是否解除上次綁定，終端設(shè)備應(yīng)答上次綁定已解除，再次發(fā)送綁定請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器響應(yīng)綁定請(qǐng)求，建立綁定鏈表完成綁定[19]，其綁定流程見圖6。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試分為兩個(gè)部分，傳感器精度測(cè)試與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無線通信性能測(cè)試。將一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)瓦斯傳感器與溫度傳感器同時(shí)放入溫度為23 ℃恒溫槽中并通入濃度為0%～1.5%的瓦斯氣體，利用Smart gas公司USB Modbus Smart Application-kit軟件通過PC機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)試瓦斯氣體濃度，并通過EXCEL輸出，測(cè)試結(jié)果見表1。

圖6 協(xié)調(diào)器綁定流程圖

表1 本地瓦斯氣體濃度(23 ℃恒溫)

地面監(jiān)控上位機(jī)采用LAB VIEW8.6圖形化語言設(shè)計(jì)，主要完成井下節(jié)點(diǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)記錄與查詢，井下人員定位。將5個(gè)不同簇的終端節(jié)點(diǎn)放入瓦斯?jié)舛葹?.5%恒溫氣體槽，通過終端控制器、簇頭、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)、計(jì)算機(jī)硬件數(shù)據(jù)采集卡[20]，地面控制中心實(shí)時(shí)顯示瓦斯?jié)舛热绫?。

表2 地面控制中心實(shí)時(shí)顯示瓦斯?jié)舛?瓦斯?jié)舛群愣?.5%)

經(jīng)過反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，溫度為23 ℃瓦斯傳感器本地平均誤差為0.008%，遠(yuǎn)程測(cè)試瓦斯?jié)舛绕骄`差為0.012%，溫度平均誤差為0.8 ℃，瓦斯?jié)舛葹?.2%超標(biāo)報(bào)警1次，完全符合礦井操作技術(shù)指標(biāo)與規(guī)范。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)礦井瓦斯動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于煤礦瓦斯檢測(cè)，提高煤礦安全技術(shù)等級(jí)，降低煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生， 已運(yùn)用于當(dāng)?shù)孛旱V，實(shí)用價(jià)值極高。

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Dynamic Monitoring and Early Warning System of Mine Gas Based on the Internet of Things

YANYonga,ZHOUXiang-bingb

(a. The Department of Physical and Electronic Science; b. The Department of Network Management Center,Aba Teachers University, Wenchuan 623002, China)

Methane gas sensor arrangement with temperature and humidity sensors are assigned to perceive environmental conditions in the mine. The establishment of coordinators, wireless sensor networks are designed, and embedded gateway is designed to process data. The ground control center can real-timely monitor coal mine gas concentration and warn if it is out of order. The paper designs underground wireless sensor network system, completes software and hardware design for the terminal node controller CC2530, and also completes the CC2530 coordinator networking, wireless data encapsulation. and algorithm design. The graphical interface of ground control center is also designed. By testing, the indicators reache mine gas concentration monitoring, no omission, the system is stable, high precision, protect the coal mine production safety.

WSN; gas monitoring and early warning; embedded gateway; CC2530; graphical interface

2015-05-26

2014年四川省應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目(2014JY0005);2014年四川省科技廳項(xiàng)目(2014GZ0013)

晏 勇(1983-),男，四川郫縣人,碩士，講師，主要研究方向自動(dòng)控制,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

Tel.：18942827691;E-mail:yanyong12_@163.com

TP 273

A

1006-7167(2016)01-0093-04