煤礦瓦斯監測報警系統的研究與設計

張 晶

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦安監站，山西大同 037000）

0 引言

煤礦瓦斯事故是影響煤炭生產安全的頭號敵人。隨著我國工業化生產不斷進步，綜采技術的不斷發展，對煤礦生產安全的要求也不斷提高[1-2]。煤礦井下工作環境復雜，潮濕、多塵且干擾較大。煤礦瓦斯事故是煤礦生產安全事故中破壞性最大且發生率較高的災難性事故。因此，針對煤礦作業面上的精準瓦斯監測報警技術就變得尤為重要。根據《煤礦安全規程》規定，采掘工作面及其他作業地點風流中、電動機或者其開關安設置地點附近20 m以內風流中的甲烷濃度達到1.5%時，必須停止工作，切斷電源，撤出人員，進行處理。煤礦瓦斯監測是煤炭安全生產的重要基礎工作，目前，大多數煤礦配備瓦斯監測儀以及專門檢測人員，防治瓦斯事故，但仍無法完成對煤礦全方位系統監測，保障安全生產環境[3-4]。因此，本文針對這一現狀，設計了基于ZigBee無線傳輸網絡與單片機技術的煤礦瓦斯監測與報警系統。對煤礦各位置的瓦斯濃度進行連續實時在線監測，并根據相關規定設定預警值，對危險情況及時識別與報警，為煤礦生產安全提供可靠保障。

1 監測系統總體設計

隨著綜采技術的不斷發展，煤礦采掘深度不斷加強，開采強度不斷擴大。于此同時，開采區域瓦斯情況也越來越復雜。原有的一些技術手段利用單一傳感器人工測量方式以及有線監測系統存在監測效果差、布線復雜、成本較高，靈活性差的缺陷已經不能滿足生產需求。而ZigBee技術作為一項新型的無線通信技術，適用于傳輸范圍短、數據傳輸速率低的一系列電子元器件設備之間。相較于傳統網絡通信技術，ZigBee無線通信技術表現出更為高效、便捷的特征，近距離、低成本、低功耗的無線網絡技術可以有效解決目前存在的不足[5-6]。因此，本文基于無線傳輸網絡重新設計了煤礦瓦斯監測報警系統，系統分為井下現場應用層、遠程監測層、網絡傳輸層，包括對瓦斯濃度的采集、傳輸與監測報警三部分[7-8]。系統組成設備包括監測主站、監控分站即傳感器節點、本安電源、監控主機等。礦用瓦斯傳感器分別感知設備測點位置的CH4氣體濃度信號經過放大調理模塊處理，經由A/D接口傳輸給傳感器節點單片機，分站單片機控制無線收發模塊通過無線網絡傳輸給無線傳輸基站（主站），由無線傳輸基站與監測主機之間實現通信，系統根據測試值分別判斷環境狀況正常與否，決定是否發出警報，并將監控結果直觀地顯示給工作人員。監測系統總體結構如圖1所示。

圖1 監測系統總體結構

1.1 系統硬件選型

監測系統的硬件包括單片機、無線收發模塊、瓦斯傳感器、電源模塊、監控計算機等。單片機作為監測層核心，根據系統需要選擇TI（德州儀器）公司生產的MSP430F149型超低功耗微處理器，它具有16位RISC CPU、16位寄存器、2個USART（通用同步/異步串行接收/發送器）、60 kB閃存、2 kB RAM、工作電壓范圍1.8～3.6 V、DCO（數控振蕩器）可在6 μs內從待機模式喚醒，成本低，功耗小且功能強大；無線收發模塊同樣選擇TI公司生產的CC2430芯片，它包含一個高性能2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一個8位的MCU(8051)控制器，滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，以及系統開發低成本，低功耗的要求；瓦斯傳感器選擇山東中煤工礦集團生產的KGJ16B型瓦斯傳感器檢測礦井下空氣中的瓦斯含量，該傳感器為礦用隔爆兼本質安全型，具有多種標準信號制式輸出，工作電壓為DC 9～24 V，可滿足井下供電安全要求，測量范圍為0%～4%CH4、響應時間小于20 s、報警點在0.3%～4.00%CH4可任意設置、傳感器聯檢后可與煤礦瓦斯安全監控系統配套使用。

1.2 監測模塊設計

監測模塊包括監測主站、監測從站、監控主機、無線網絡、軟件系統等。監測從站即傳感器節點由傳感器、微處理器、無線收發模塊以及電源模塊組成。傳感器負責監測信息的接收與轉換，微處理器處理器作為核心控制節點正常工作運行，無線收發模塊則負責進行節點之間的信息傳輸，電源模塊用來提供工作動力來源。傳感器節點主要通過在測點位置布置的傳感器感知工作面以及入回風區域的瓦斯濃度信號經信號調理轉換后轉化為標準數字信號由A/D轉換口到傳感器節點微處理器，而后通過無線收發模塊傳輸給監測主站。各監測分站與監控主站通過ZigBee無線通信網絡實現通訊。傳感器模塊根據《煤礦安全規程》相關規定，設置在便于人員觀察檢修支護良好的位置，垂直懸掛在不影響其他設備及人員正常工作的巷道回風流中。將監控主站ZigBee節點作為網關節點，負責控制其他子節點。傳感器節點的CC2430無線收發模塊在接收模式時從天線接收RF信號，經由低噪聲放大器并變頻為2 MHz中頻信號，再經過濾波、放大與A/D轉換轉化為數字信號。在發射模式時，被調制的基帶信息經過D/A轉換器再由單邊帶調制器進行低通濾波變頻為射頻信號進行發送。當瓦斯濃度值超出設定閾值1%時，系統自動發出警告，執行聲光報警；超過1.5%，發出自動斷電指令。監測模塊傳感器節點結構如圖2所示。

圖2 監測模塊傳感器節點結構

2 網絡通信

監控系統由3個層面組成，分別是現場應用監測層，網絡傳輸層以及監測主站層。現場應用監測層傳感器與微處理器通過A/D接口連接。CC2430使用FIFO、FIFOP、CCA和SFD四個引腳表示收發數據的狀態，而微處理器與無線收發模塊CC2430之間使用SPI（串行外設接口）連接交換數據。SPI是一種高速、全雙工、同步通信的4線總線，只需占用芯片4個引腳，采用主從方式工作，簡單易用。微處理器作為主設備通過SPI接口訪問CC2430模塊的寄存器以及存儲器，CC2430作為從設備接收微處理器SCLK(時鐘)與CS(片選)信號并接收控制。各現場應用監測分站之間、監測分站與監測主站基于IEC802.15.4協議通過ZigBee無線通信網絡實現通訊。監控主站與上位機監測層通過RS-485串行接口連接，實現兩個層的信息交互。MSP430F149與CC2430連接接口如圖3所示。

圖3 MSP430F149與CC2430連接接口

圖4 無線傳感器網絡工作流程圖

3 軟件設計

系統軟件設計利用TinyOS微型操作系統，TinyOS是由加州大學伯克利分校開發的一種源代碼開放的嵌入式操作系統，廣泛用于無線傳輸網絡軟件開發。基于組件的模塊化系統，設置基于ZiGBee節點的無線傳感器網絡時，選擇監測主站作為基地控制臺聚集處理監測信息，與之通信的其他節點作為監測節點負責傳輸采集信息。利用具有C語言風格的組件式結構程序語言nesC進行編程，TinyOS提供一系列的組件，應用程序可以通過連接配置文件將各種組件連接起來，實現所需要的功能，最后應用程序通過JTAG燒寫入節點的微處理器，通電即可實現驅動。無線傳感器網絡軟件工作流程如圖4所示。為了驗證系統的有效性，對系統進行工程測試。利用不同濃度標準CH4對傳感器模塊進行仿真測試，驗證傳感器模塊采集功能以及無線傳感器網絡的傳輸效果以及系統監測功能。試驗表明，系統可較好實現對瓦斯濃度數據的采集、無線傳輸以及監測報警功能。

4 結束語

本文針對煤礦生產所需設計了一種基于無線通信網絡與單片機技術的煤礦瓦斯監測預警系統。根據實際需要完成了對系統總體設計、硬件的選型以及軟件流程設計工作。采用較為先進的無線傳感器網絡傳輸，避免了有線傳輸的線路復雜、成本高等問題，測試表明該系統具有靈活性高、可靠性好，自動化程度高的特點，可實現對煤礦井下測點位置瓦斯濃度的在線實時監測，并可根據設定值進行危險報警，保障煤礦生產的安全經濟運行，保護煤礦的財產安全與工人的生命健康。