基于物聯網的礦井安全系統設計

鄧 然，邵鑫宇

（哈爾濱華德學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引言

能源是經濟發展的主動脈，能源供應問題是制約經濟發展的一個最為重要的因素，煤炭則是主要的能源之一。而在煤炭的安全生產事故中，瓦斯爆炸、一氧化碳中毒、粉塵爆炸、高溫導致中暑等占絕大多數，因此提高煤炭的安全生產能力，實際上就是要減少甚至杜絕這些危險。基于上述考慮，設計一種能夠對礦井內環境實時監測的系統具有十分重要的意義 。本文通過對單片機技術及傳感器技術的研究，并結合煤礦行業的需求，可以對礦井內的瓦斯濃度、一氧化碳濃度等進行監測，提高了煤炭作業過程的安全性與可靠性，降低了事故發生率。

1 系統組成及工作原理

該礦井安全系統可以為煤礦工人提供安全保障，減少人員傷亡和經濟損失。它可以實時監控礦道內的甲烷、一氧化碳濃度，當超過標準濃度時，發出聲光報警，并且通過無線傳輸技術將各個傳感器數據傳輸到井上上位機，從而保證礦井內的安全生產。具體分為三大模塊，分別是檢測模塊、控制模塊和輸出模塊。檢測模塊包括MQ-4甲烷傳感器，MQ-7一氧化碳傳感器，DS18B20溫度傳感器，可以對礦道內的氣體含量進行監測；控制模塊采用AT89C51單片機作為主控平臺，控制整個系統的運行；輸出模塊包括LCD顯示屏，通過LCD顯示屏可以實時看到當前的溫度，甲烷和一氧化碳濃度等數據，當數值超出閾值時，蜂鳴器會發出警報，上位機擁有一個傳感器數據監測平臺，可以實時監測礦道內各個傳感器的數據，并且可以設置監測參數的閾值和極限值。

2 系統硬件設計

本設計集成了甲烷信號檢測、一氧化碳信號檢測、溫度信號檢測、射頻發送與接收、聲光報警等多個功能模塊。本系統應用于監測礦井下環境，整個系統是由多個溫度傳感器、甲烷傳感器、一氧化碳傳感器和一個系統主機構成的，可確保井下作業人員的人身安全。

2.1 主控模塊設計

本系統的核心控制部件選擇的是AT89C51，其工作電壓是3.3V。AT89C51的作用是完成系統的核心控制功能，其基本工作的最小系統包含3個部分，分別是用于復位電路、電源電路和晶振電路，晶振電路為系統提供的工作頻率是12MHz[1]。AT89C51一共有40個引腳，其中通用IO口共有32個。根據系統的設計需求，IO口分別與顯示模塊、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、NFR905等部件相連，從而構成系統的整個硬件電路。

2.2 溫度傳感器模塊電路

該系統的溫度傳感器采用的是DS18B20。DS18B20除了集成溫度傳感器之外，還包含配置寄存器、64位的ROM以及溫度報警觸發器TH和TL。用戶可以通過設置TH和TL來設置溫度報警的上下限閾值。DS18B20輸出的信號是數字信號，因此其抗干擾能力相比其他傳感器要更強，其測量范圍為-55℃～125℃，完全符合本系統的設計需求。由于每個DS18B20內部都有唯一的序列號，因此，同一總線上掛接多個DS18B20溫度傳感器也不會引起讀取混亂。

2.3 甲烷檢測模塊電路

礦井內最常出現的一種安全問題是瓦斯爆炸，瓦斯是一種混合氣體，組成瓦斯氣體的主要成分就是甲烷，該系統中通過實時檢測甲烷的成分，來達到預防瓦斯爆炸的目的。因此，系統中所選的氣體傳感器是甲烷傳感器MQ-4，MQ-4由于其穩定性高、使用簡單、方便調試以及標校可靠等特點，被廣泛應用在煤礦安全系統中，MQ-4采集到甲烷氣體后輸出的是一個模擬信號，因此需要經過AD轉換，將模擬信號轉換為數字信號，再進行進一步的數據處理。MQ-4一共包含6個引腳，本系統中，1、3、5引腳連接VCC，2、6引腳連接到模數轉換電路的輸入端，4引腳連接GND端。

2.4 一氧化碳檢測模塊電路

礦井中煤炭燃燒以及煤塵的爆炸都會產生一氧化碳氣體，所以通過監測一氧化碳的含量可以檢測礦井中的燃燒和爆炸事故。本系統采用MQ-7氣體傳感器檢測礦井里一氧化碳的濃度，MQ-7具有靈敏度高、壽命長、成本低、驅動電路簡單等優點，廣泛應用于對一氧化碳氣體的檢測環境中，如家庭用氣體泄漏報警和工業一氧化碳報警等。MQ-7氣體傳感器包含6個引腳，該傳感器沒有輸入，只有輸出，由于輸出信號為模擬信號，因此輸出需要連接模數轉換電路。

2.5 報警電路設計

當按鍵設置好甲烷濃度、一氧化碳濃度、溫度的上限值，單片機就進行循環監測，時刻監測溫度、甲烷濃度和一氧化碳濃度，并和報警上限進行比較。本次報警電路主要分為兩部分，分別是蜂鳴器報警和燈光報警。聲音報警電路采用的是蜂鳴器，在正常供電的情況下，蜂鳴器就可以發出報警的響動。本系統中的報警電路由3部分構成，分別是電阻，PNP型三極管和蜂鳴器，PNP型三級管的作用是為了放大單片機所提供的電平信號，以保證蜂鳴器能夠正常工作。

2.6 通信模塊電路設計

礦井下和地面上的無線通信是通過NRF905無線通信模塊完成的，NRF905包含兩部分，分別是數據發送端和數據接收端[2]。該模塊通過串口SPI和核心控制器單片機AT89C51相連，NRF905的工作電壓為3.3 V，一共包含32個引腳，其中用于配置NRF905的工作模式的引腳分別是TRX_CE和TX_EN。NRF905一共包含4種工作模式，分別是典型ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式、掉電模式和STANDBY模式，ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式分別用于完成NFR905數據的發送與接收過程。NRF905在工作過程中，數據包的具體情況可通過配置TX-Payload和TX-Payload完成。

3 軟件系統設計

軟件系統設計部分主要介紹系統各個功能模塊的軟件工作流程，軟件設計是整個系統功能實現的基本保證，根據系統需求和不同硬件電路采取不同的算法和數據結構，確定每個模塊的輸入、輸出和實現過程。

3.1 甲烷濃度檢測程序設計

當甲烷傳感器采集到當前的數據后，會將當前的甲烷濃度信息通過轉換顯示在LCD顯示屏上，通過設置甲烷濃度的報警上限，來進行甲烷濃度的閾值檢測報警，當甲烷濃度超過上限時，開啟蜂鳴器然后進行報警，繼電器開始工作，控制所連接的設備開關進行開啟，NRF905發送數據。

3.2 一氧化碳濃度檢測程序設計

系統上電復位后，一氧化碳傳感器內部先進行初始化，然后檢查有無外部中斷產生，若有中斷，處理外部中斷，若無則開始采集數據。當一氧化碳傳感器采集到當前的數據后，會將當前的一氧化碳濃度信息通過轉換顯示在LCD顯示屏上，通過設置一氧化碳濃度的報警上限，來進行一氧化碳濃度的閾值檢測報警，當一氧化碳濃度超過上限時，開啟蜂鳴器然后進行報警，繼電器開始工作，控制所連接的設備開關進行開啟，NRF905發送數據。

3.3 溫度檢測程序設計

開啟開關電源后，溫度傳感器開始工作，首先將溫度傳感器放置在空氣中，然后進入溫度監測子程序中，溫度傳感器將空氣中的溫度轉換成電信號進行輸出，單片機接收到數據后進行計算，之后顯示在LCD1602液晶顯示器上。DS18B20數字溫度測溫模塊首先初始化，然后讀取DS18B20數字溫度測溫模塊序列號，之后進行溫度轉換，隨后復位DS18B20數字溫度測溫模塊，若無中斷，則讀取數據，若有中斷則繼續回歸到復位操作。

3.4 無線通信程序設計

首先各個硬件開始初始化，先進行NRF905通信模塊的初始化，然后初始化各傳感器，之后各個模塊開始工作，實時檢測溫度、氣體濃度，并進行相應的報警操作。數據發送成功后，清零發送使能位，進入下一次數據發送循環。數據接收部分的程序負責接收數據，接收到的數據通過串口發送到上位機中進行存儲和處理。

4 結語

本系統主要用來實時監測礦井內的作業環境，可及時發現礦井中一氧化碳濃度、甲烷氣體等超標問題，若發生上述問題，可通過無線通信方式快速通知礦井上人員，及時作出相關救援。本系統操作簡單，快速有效。此外，本設計還存在著一些不足之處。例如：可以改進無線通信方式，據調查顯示，自2018年起，井下已有手機信號，可通過GSM技術發送短信給地面救援部隊。2019年井下已經實現WiFi覆蓋，連接WiFi也可以與地面上位機進行通信。