基于無線傳感器的煤礦井下環境參數監測系統設計

張紀堂 顧新宇 史俊文 左翠彬 王善培 代傳鵬 李繼明 許傳諾 陳 坤 程學珍*

（1、臨沂會寶嶺鐵礦有限公司，山東 臨沂277712 2、山東科技大學，山東 青島266590）

煤礦安全監測系統在煤礦生產安全過程中發揮著巨大的作用，其中煤礦井下環境參數檢測系統是其重要的組成部分。傳統的煤礦井下安全環境監測系統都采用有線網絡的傳輸方式，隨著采礦的深入，下井不會隨時的鋪設電纜。隨著無線通信技術的發展，國內外研究學者將無線傳感器網絡應用到煤礦井下。本文設計了基于無線傳感器網絡的煤礦井下環境參數監測系統，微控制器將傳感器采集到的溫濕度、粉塵濃度和流量數據信息進行處理，利用ZigBee 模塊進行信息傳輸，通過用LabVIEW 編寫的上位機界面進行數據直觀的顯示。

1 系統設計

基于無線傳感器的煤礦井下環境參數監測系統由硬件和軟件兩個部分組成：硬件部分包括傳感器監測模塊、ZigBee 無線通訊模塊與微控制器模塊配置三個方面，主要用于環境參數的監測，將采集到的數據進行處理，并且通過ZigBee 網絡發送到上位機進行顯示；軟件部分主要是使用LabVIEW 建立顯示界面，記錄溫度、濕度、流量和粉塵濃度等數據，并將數據以Excel形式保存到本地，便于數據的查詢與追溯，當超過所設閾值時，進行報警。系統基本功能包括煤礦井下溫度、濕度、流量以及粉塵濃度的監測、顯示、預警以及數據的統計。

2 系統硬件的設計

2.1 硬件選型

基于無線傳感器的煤礦井下環境參數監測系統主要硬件包括溫濕度傳感器、流量傳感器、粉塵傳感器、ZigBee 無線傳感器模塊、微處理器。

圖1 部分傳感器實物圖

傳感器采集的信息對井下環境參數監控系統至關重要，本文選用DHT11 數字型號的溫濕度傳感器，如圖1（a）所示，他將溫度監測和濕度監測整合到一起，是一款復合型傳感器，測濕精度±5%，測溫精度±2℃，其干擾能力強、響應速度快，成本低，功耗小，適合煤礦井下使用。

圖2 霍爾流量傳感器

流量傳感器選擇的是霍爾流量傳感器，實物圖如圖2 所示。霍爾流量傳感器主要由塑料閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。它裝在流量進入端，用于監測進水的流量，當水流轉子組件上有水流通過時，轉子的磁性轉子隨之發生轉動并且轉速會跟隨著流量的大小變化而產生變化，此時霍爾傳感器輸出端輸出與之大小相關的脈沖信號并發送數據到微控制器，由控制器程序處理后變成實質性的流量大小數據，從而判斷水流量的大小，進行調控。

圖3 部分硬件實物圖

微控制器是整個監測系統前期數據的控制處理核心，監測系統的設計對需要采集的數據方面具有極高的準確性和穩定性上面的要求，選用意法半導體公司的STM32F103C8T6 微控制器，如圖3（a）所示，它具有省電低功耗和作業要求低抗性高的優質特點，可在-40℃至+85℃的溫度內均可正常工作。

ZigBee 無線通訊模塊選用DL-20 無線通信串口模塊, 它具有8 種不同的波特率，可以實現點對點雙向收發，發射功率達4.5DBm，最遠通訊距離為250m，適用于煤礦井下惡劣環境。

2.2 ZigBee 無線通信網絡

無線傳感器網絡是在井下大量部署的傳感器節點、微控制器、ZigBee 模塊及上位機組成，實時監測井下溫濕度、流量和粉塵濃度信息，并根據采集的數據進行警報。本設計采用網狀型的ZigBee 網絡拓撲結構，該結構支持自動路由、動態組網和直接擴頻，各個傳感器之間進行雙向通信，該網絡具有多跳、自愈性等優點，滿足工業自動化的要求，也完全滿足設計要求。ZigBee 按照Zig-Bee2007 協議進行編寫。

3 系統軟件的設計

系統軟件的整體設計：

如圖4 所示為本監測系統整體軟件流程圖。

（1）系統上電后，先將控制器模塊進行初始化，配置模塊的引腳、時鐘和輸入輸出方式等。

（2）微控制器接收處理傳感器的信息，并發送至ZigBee 串口模塊。

（3）上位機ZigBee 模塊接收信息，上位機通過串口讀取模塊數值并顯示，與閾值進行對比。

（4）如超限則報警并保存數據，若不超限，正常顯示并保存數據。

圖4 軟件整體流程圖

4 系統整體實驗

無線傳感器采集數據的精確性直接影響井下是否安全，為了驗證無線傳感器的采集精確度和系統通信的可靠性，在室內對系統的整體性能進行試驗。

表1 2020.06.11 監測記錄

5 結論

設計了一種基于無線傳感器的井下環境參數監測系統，采用多種傳感器和STM32 微控制器對井下環境實時監測，利用ZigBee 模塊實現數據信息和上位機的雙向通信，實現對煤礦井下溫度、濕度、粉塵濃度和流量的實時監控。分別設定溫度、濕度、粉塵濃度、流量的上限閾值，通過上位機進行警報和文字提示使工作人員能夠及時進行降溫、降濕、除塵等措施，保證井下的安全。系統的軟件部分采用C 語言作為平臺的開發，對STM32 單片機進行相關的程序設計，并且進行數據的處理，利用LabVIEW 對監測到的數據進行實時顯示，并且以Excel 表格的形式保存到本地，為工作人員查詢井下環境參數記錄提供了方便。通過對無線環境參數監測系統試驗，驗證了系統的實用性和準確性。