礦井綜采工作面監測系統的設計

安徽理工大學 王 磊

為了解決井下綜采工作面環境信息實時采集的問題，提出了一種將有線和無線技術相結合構建礦井遠程監測系統的方法。該系統由井下綜采工作面信息采集及傳輸和地面中心站上位機系統組成，利用ZigBee組建無線傳感網絡對井下綜采工作面的瓦斯濃度、溫濕度、CO濃度及粉塵等環境參數進行實時采集和傳輸，LoRa用于將信息傳送至井下工業環網再由RS485傳輸到地面中心站。該系統將有線和無線技術結合，充分利用兩種技術的優勢，相較于傳統礦井監測系統，具有功耗低、成本低、應用靈活等特點，具有一定的實用價值和推廣意義。

在煤礦開采過程中，以瓦斯泄漏為主的災害一直是亟待解決的重大問題，特別是我國在煤礦井下環境監測系統的設計和制造方面起步時間較晚，優化的空間較大。

對當前礦井監測系統分析得知，大部分是基于有線網絡建立的，有線網絡占用空間較大、井下布線繁瑣、監測范圍有限和無法及時隨著掘進或回采的速度做到實時監測到的效果。針對目前有線網絡在綜采工組面實時環境參數監測的局限性，常用的解決方法是基于ZigBee構建的無線傳感網絡，無線網絡具有靈活、可擴展性高等優點，非常適合井下綜采工作面的實時環境參數的采集。本系統將ZigBee和LoRa無線技術及RS485總線相結合，組建一套對礦井綜采工作面環境信息實時采集的系統。

該系統是通過ZigBee組網，對井下綜采工作面環境參數進行實時監測，并通過LoRa無線技術完成井下主巷道中ZigBee-LoRa協調節點與LoRa節點的長距離信息傳輸，最終通過RS485有線網絡將信息傳輸到地面中心站。有效的解決了有線網絡對井下綜采工作面的環境參數監測不及時的問題，同時還解決了有線網絡井下布線困難的問題，提高煤礦生產的安全性和科學性。

1 ZigBee和LoRa

1.1 ZigBee

是一種雙向的網絡技術與無線通訊技術，其正常工作頻段分別為868MHz、915MHz和2.4GHz，其數據傳輸率在10～250kbit/s之間，具有低速率、響應快、功耗低、網絡容量大、自動組網等特點，由于礦井環境監測信息為緩變量，對監控系統的數據傳輸要求不高，ZigBee的低傳輸速率適用于井下的信息傳輸。

1.2 LoRa

是一種超長距離低功耗數據傳輸技術，基于線性調頻擴頻調制技術，使得其通信距離明顯增加，單個網關在寬闊地帶最大能傳輸15km，工作頻率為ISM頻段，包括433MHz、868MHz、915MHz等，主要特點為低速率、低功耗及超遠距離通信。

2 系統結構組成

（1）地面中心站

地面中心站的上位機系統完成對井下傳來的環境監測信息進行處理及顯示，并通過TCP/IP協議將數據儲存在數據庫中，篩選有用數據顯示在監控總站的大屏幕上。

（2）LoRa節點

接收ZigBee-LoRa協調節點發送過來的綜采工作面環境參數信息，經工業環網通過RS485接口傳輸到地面中心站。

（3）ZigBee-LoRa協調節點

ZigBee模塊接收傳感器傳輸過來的綜采面的環境信息，經MCU處理，若超限則觸發聲光報警，再經由LoRa模塊將信息傳輸至LoRa節點。

（4）傳感器

傳感器可以看作是整個監測系統的“眼睛”，它的性能直接決定監測系統的可靠性。因此，選型時需充分考慮傳感器能否在礦井惡劣環境中保持穩定工作。

圖1 系統結構圖

傳感器選型：

a.MQ-2氣體傳感器。利用傳感器的電導率跟空氣中可燃性氣體的濃度成正比的原理來監測瓦斯濃度。

b.SHT11溫濕度傳感器。溫度監測范圍在-40℃—128.3℃，濕度監測范圍在0%RH—100%RH，測量精度達到0.01℃。（0.03%RH）。

c.ME2-CO一氧化碳傳感器。該傳感器是根據電化學的原理工作，通過測量電化學產生的電流大小來測量CO氣體濃度。

d.ZPH01粉塵傳感器。采用先進的PM2.5監測機理，能監測到1um以上灰塵顆粒物。系統結構圖如圖1所示。

3 系統總體設計

考慮到礦井內部環境的特殊性，現有的有線監測隨著綜采工作面隨著回采的速度往前推進，難以做到對綜采工作面環境信息的實時監測，為了解決該問題，設計了基于ZigBee-LoRa的無線傳感網絡監測系統，該系統的設計是由若干ZigBee終端節點、ZigBee路由節點、ZigBee-LoRa匯聚節點、LoRa節點和地面監控分站兩部分組成，如圖2所示。ZigBee組網選用網型網絡拓撲結構，如圖3所示。

ZigBee終端節點布置在綜采工作面的采煤設備上或工作人員隨身攜帶，完成對瓦斯、溫濕度、CO、粉塵等環境信息的采集和傳輸，經由ZigBee路由節點傳輸到ZigBee-LoRa匯聚節點，經由匯聚節點的MCU對信息進行處理，若超限則觸發聲光報警，再由LoRa傳輸到LoRa節點，通過RS485傳至地面中心站，以便監測人員對井下綜采工作面的環境參數實時觀察，若有突發事件可及時的作出決策。

圖2 節點布置圖

圖3 ZigBee網型網絡拓撲

4 硬件設計

4.1 ZigBee終端節點

綜采工作面的環境信息的采集和發送由ZigBee終端節點負責，為了減小終端節點的體積和重量，本系統采用ZigBee的CC2530芯片作為終端節點的主控芯片，該芯片集成了單片機、ADC、無線通信于一體，提高了單片機和無線通信的組合性，但需為芯片增加外圍電路來使得整個節點正常工作，同時外接MQ-2氣體傳感器、SHT11溫濕度傳感器、ME2-CO一氧化碳傳感器、ZPH01粉塵傳感器。如圖4所示。

圖4 ZigBee終端節點電氣連接圖

4.2 ZigBee路由節點

ZigBee路由節點的任務是將ZigBee終端節點收集的數據發送到ZigBee-LoRa的匯聚節點，節點的結構與終端節點類似，不需要外接傳感器即可，此處不再贅述。

圖5 ZigBee-LoRa協調節點電氣連接圖

4.3 ZigBee-LoRa協調節點

ZigBee-LoRa協調節點作為整個系統監測部分的核心，該節點的作用是完成將ZigBee終端節點傳輸過來的數據處理和發送，若瓦斯等環境因素超限則觸發節點的聲光報警功能，再通過串口經LoRa模塊將數據發送給LoRa匯聚節點。該節點主要有電源模塊、ZigBee模塊、LoRa模塊和STM32系列單片機組成，如圖5所示。STM32F103系列單片機使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，擁有增強型I/O，包括3個USART、兩個I2C和SPI和兩個12位ADC、1個USB和1個CAN。

圖6 LoRa節點電氣連接圖

4.4 LoRa節點

該節點主要負責ZigBee-LoRa匯聚節點與地面中心站之間信息的中轉，該節點的主要模塊與ZigBee-LoRa匯聚節點類似，也是由STM32作為主控芯片，有電源模塊、LoRa模塊、RS485接口等模塊。如圖6所示。

5 軟件設計

5.1 井下信息采集與傳輸

系統軟件開發完成了基于ZigBee標準協議棧Z-Stack協議棧的網絡構建、設備接入網絡和數據收集。其開發工具采用的是IAR EWB開發環境調試運行，并且使用C語言作為應用程序的開發語言。

ZigBee終端節點主要任務是完成總采面環境因素的采集，每個節點都有一個唯一的地址。具體主要包括啟動采集節點模塊、查詢網絡、申請加入網絡、判斷是否超限、發送采集數據、接收指令等，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 ZigBee終端節點軟件流程圖

ZigBee-LoRa協調節點的主控芯片選用STM32系列單片機，主要負責協調所有的路由節點和終端節點，主要工作為接收終端節點經路由節點所傳輸過來的環境信息，通過STM32系列主控制器對信息進行處理和發送，通過判斷瓦斯等環境參數是否超過設定值來觸發聲光報警功能，再通過串口將數據經LoRa模塊發送至LoRa匯聚節點，軟件流程圖如圖8所示。

LoRa節點結構較為簡單，主要的任務是接收匯聚節點無線發送過來的數據，再由RS485轉送到地面中心站，由于井下環境的特殊性，無線信號很難直接傳輸到地面，需經由有線網絡充當媒介，將采集到的信息發送到地面中心站，該部分的軟件流程圖如圖9所示。

5.2 井上上位機軟件

上位機軟件采用組態王6.55制作監控界面，接收由ZigBee-LoRa協調節點傳輸過來的綜采工作面的環境參數，有實時數據顯示、查詢和分析數據功能，還可以查詢歷史數據并對其分析，做出對綜采工作面環境參數變化的預測。

圖8 ZigBee-LoRa協調節點軟件連接圖

圖9 LoRa節點軟件連接圖

總結：本文運用有線加無線的技術實現礦井綜采工作面的實時環境信息監測系統的設計，將ZigBee和LoRa相結合構建整個系統的信息采集和傳輸部分，最后由RS485總線完成井下到井上地面中心站的信息傳輸。本系統可以減少有線網絡在井下電纜的鋪設，安裝方便，能減少成本，可跟隨綜采工作面的回采速度做到實時監測的目的。但ZigBee和LoRa都屬于低功耗、低傳輸速率的無線技術，所以整個系統不適合用在要求數據傳輸快、實時性要求強的場合，如井下的音頻和視頻監視系統。