無線傳感技術在煤礦火災自動報警系統中的應用研究

董明星，肖 鶴，陳 鑫

(西安交通工程學院，陜西 西安 710300)

尤其是近年來煤礦火災事件的發生數量不斷攀升，使煤礦的火災報警問題成為熱點問題[1-3]。因此研究煤礦火災自動報警系統，實現初期煤礦火災的準確探測與預警，以便能夠及時采取對應安全措施，抑制火情的大規模擴散。煤礦火災自動報警系統，通常需要實現聯動控制、火災報警等功能，國內外對于煤礦火災自動報警系統的研究已經取得了多樣化的研究成果，并開發了很多實用性的產品，但是，系統延遲性問題一直沒得到很好的解決。本文對煤礦火災自動報警系統進行深入研究，提出一種基于無線傳感技術的煤礦火災自動報警系統，該系統應用無線傳感技術對無線傳感網絡進行搭建，實現了網絡性能的提升。并對設計系統進行了搭建與實際測試。

1 煤礦火災自動報警系統設計

1.1 無線傳感技術的

對煤礦火災自動報警系統進行總體架構設計，其邏輯結構如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

煤礦火災自動報警系統分為信息層、特征層、決策層。信息層主要負責煤礦環境溫度的信息采集與預處理，將溫度數據傳輸至特征層，并進行平均溫度和溫度斜率值的轉換。其決策層是該系統的核心部分，其主要功能包括溫度數據的處理和報警判定，實現煤礦火災自動報警功能。

1.2 硬件設計

1.2.1 無線傳感網絡數據采集模塊

無線傳感網絡模塊用于系統通信和環境因素、感知對象的檢測和采集，用于信息傳送和通信[4-6]。無線傳感網絡模塊需要設置多個傳感器節點，這些傳感器節點均能向指定接受點發送采集數據。使用的傳感器節點型號為Acrel-2000T/A，屬于一種高溫監測傳感器[7]。該傳感器節點的具體技術數據如下：工作電源為DC100-300V或AC85-265V，采樣周期為25 s，發射頻段為470 MHz，傳輸距離為空曠地區可以傳輸150 m，發射周期為5 min，測量精度為±1 ℃，通訊方式為一路上行RS485接口(MODBUS RTU協議)、一路上行以太網接口、一路下行RS485接口(MODBUS-RTU協議)，裝置自帶蜂鳴器，溫度超過設定值時啟動蜂鳴器輸出，進行高溫告警，硬件構成為以太網口、硬盤1 T、內存4 G。分辨率800×600、顯示器 12寸，I/O接口共3種，分別為GLANX2、USBX4、COMX6。除了傳感器節點，模塊內還有另外兩種節點，分別為匯聚節點與任務管理節點，各種節點發揮的功能不同[8]。無線傳感網絡模塊的結構體系具體如圖2所示。

圖2 無線傳感網絡模塊的結構體系Fig.2 Structure system of wireless sensor network module

以實際情況為依據在煤礦監控區域中對各種節點進行布設，節點間利用自組織方式對無線通訊網絡進行構建。各節點在對數據信息進行采集后利用自組多跳形式向匯聚節點傳遞[9]。而匯聚節點則負責對傳感節點實際傳遞信息進行匯聚，接著通過通訊協議向任務管理節點實施信息傳輸。由任務管理節點對數據進行處理，并利用終端對其進行顯示[10]。對于傳感器網絡來說，傳感器節點是搭建網絡時的核心部分，既需要進行數據采集，也需要進行數據的傳遞[11]。在單獨工作時，傳感器節點的存儲能力與計算能力都是有限的，為降低耗能，大部分時間它們需要處于休眠狀態。而匯聚節點則擁有較強的存儲與計算能力，供電采用固定電源。這種節點可以隨時對傳感節點發送的信息進行接收，并通過網絡向模塊中的任務管理節點進行信息傳輸。

1.2.2 自動報警模塊設計

自動報警模塊由聯動控制單元和火災監測模塊構成，模塊的組件構造如圖3所示。其中火災探測器共有4種類型，需要根據實際情況進行選擇，具體包括可燃氣體、光輻射、感溫、感煙探測器。可燃氣體探測器選擇的型號為YA-D100，該探測器能夠對常見的120種可燃氣體進行探測，分辨率可達1%LEL，采用12～30 V直流電源供電，電壓為220 V。光輻射探測器選擇的型號為BT-476，能夠實現大范圍廣角探測，其探測角度可達135°，探測距離為1～12 m，采用有線通信方式，工作電壓為9～16 V，報警電流為150 mA，工作溫度范圍為-10～+60 ℃[12]。感溫探測器選擇的型號為KSY-AJ-309，可進行360°探測，探測距離為6 m，工作電壓為DC 9～28 V，報警電流≤45 mA，工作溫度為-10～+50 ℃，采用有線通訊方式。感煙探測器選擇的型號為YT3245，工作溫度為-10～50 ℃，單個探測器的探測面積可達20 m2，每40 s閃1次指示燈，輸出形式為聲光報警，報警音量大于80 dB。模塊中的火災報警控制器是核心器件，用于對火災探測器進行監測，確保火災探測器可以有效、穩定、長期工作[13]。當煤礦內出現火情時，火災報警控制器可以對傳感器探測的火情信號進行接收，正確、迅速地實施數據處理，對報警部位進行指示，并對輔助控制進行執行。此外，火災報警控制器還具備通信廣播、圖形顯示、打印輸出、聯動控制、自動檢測等功能[14-15]。

圖3 自動報警模塊的組件構造Fig.3 Component construction of automatic alarm module

1.2.3 顯示模塊

顯示模塊通過LED屏幕對火災報警信息進行顯示，使用的LED屏幕為懸掛式屏幕[16]。該屏幕為雙色屏幕，型號為WDM-P10XS，屏幕尺寸為2 660 mm×1 380 mm×140 mm，像素間距為P10，采用晶元芯片。

1.3 軟件設計

1.3.1 數據處理程序

數據采集模塊由多種信號采集電路構成，具體包括波形整理、隔離、濾波、采樣等電路，能夠準確、可靠地對傳感器的狀態信息數字信號進行處理[4]。其中波形整理電路通過光耦對信號實施波形整理處理；隔離電路用于對光耦進行隔離，以防外部電氣設備出現故障時的瞬時沖擊影響數據采集模塊的運行；濾波電路使用的濾波器為RC低通濾波器，能夠濾除信號傳輸時的噪聲干擾；采樣電路用于對數字量信號轉換處理，使其能夠被普通數字電子電路處理[5]。其中RC低通濾波器采用的型號為XS5001L2G96WA65。對于該濾波器，計算截止頻率的公式具體如下：

(1)

式中，RC為濾波器頻率。光耦隔離電路中使用的芯片為TLP521，能夠增加安全性、簡化設計電路步驟、降低電路中的干擾。該芯片中每片都有兩路光耦，能夠有效進行光耦隔離。

1.4 自動報警程序

自動報警程序主要結合神經網絡和模糊控制對火災判斷進行輔助。在數據處理模塊中，首先需要預先實施神經網絡模型輸入、輸出值的模糊預處理，并在神經網絡中輸入處理結果，通過神經網絡模型進行計算。在計算中對對應的模糊規則進行定義，對計算結果實施模糊處理，從而輸出煤礦火災的實際發生概率[15]。通過數據處理模塊的計算，能夠提升探測煤礦火災的準確性，確保煤礦的正常運營，保障煤礦乘客的生命安全。

搭建的神經網絡模型共有19個神經元，分別為3個輸入神經元、15個隱藏神經元、1個輸出神經元。其中輸入層中的3項分別代表氣體信號、溫度、煙霧，需要對數值進行歸一，歸一區間為[0，1]。而輸出層表示的是火情概率。選擇的模型訓練規則為Levenberg Marguardt，選擇的模型傳遞函數為LOGSIG，選擇的模型學習函數則為權值梯度學習函數。訓練模型時的具體精度要求滿足1×10-6。在搭建的神經網絡模型的隱含層中，需要多加1～2個神經元，以提升誤差下降速度。隱含層設定的具體神經元數的計算公式如下：

(2)

式中，y為隱含層神經元實際個數；z為輸出層神經元實際個數；x為輸入層神經元實際個數；n為常數，具體取值范圍在1～10。

而模糊控制主要是通過控制器和計算機總結模糊經驗，從而制定模糊規則，對人腦進行模擬來實施模糊控制、判斷、識別。實施模糊預處理主要是實施規范化處理，也就是對輸入、輸出進行限制，使其處于規定范圍。對于輸入，所定義的模糊預規則為將氣體信號、溫度、煙霧分成4擋：ZO、PS、PM、PB，這4擋分別代表火災可能性的4種：無可能、小、中、大。其論域上均為模糊集。對于輸出，所定義的模糊預規則為對輸出層的輸出范圍進行設定：[0，1]。

在計算中定義的模糊規則選用矩形函數進行模糊控制。對計算結果實施模糊處理則需要將計算概率值變為模糊變量后輸出，根據輸出決定是否報警。

2 實例分析

2.1 相關設置

在煤礦井下對無線傳感網絡模塊進行布設，每隔100 m布設1個傳感器節點，并對任務管理節點與匯聚節點進行共同布設，搭建無線傳感網絡。同時在傳感器節點的鄰近處對火災報警控制器與各種火災探測器進行布設。各處需要根據實際情況對火災探測器進行選擇。完成這些硬件的布設后，設置上位機進行軟件的安裝與系統的測試。

2.2 煤礦火災模擬裝置設置

對基于無線傳感技術的煤礦火災自動報警系統進行火災報警測試。測試中火災模擬裝置設置在煤礦某個巷段，具體如圖4所示。

圖4 火災模擬裝置的設置地點Fig.4 Location of fire simulator

2.3 火災模擬

利用火災模擬裝置點火，開始進行測試。測試時現場煙氣蔓延情況如圖5所示。

圖5 現場煙氣蔓延情況Fig.5 Smoke spread at the scene

2.4 系統測試

進行基于無線傳感技術的煤礦火災自動報警系統與煤礦站的聯動實驗。具體實驗過程如下：在點燃火災模擬裝置后，探測器會探測到溫度和煙霧信號，由傳感器向火災報警控制器傳遞信號，再由火災報警控制器發出報警信號以及向LED屏幕傳遞報警信號。由LED屏幕發出火災告警，工作人員組織現場人員的疏散與滅火，完成以上過程后整個實驗結束。在實驗中，當設計系統中的火災報警控制器收到傳感器的火災探測信號以后，會把火災信號幅度具體包括溫度信號、離子電流信號以及光電散射煙霧顆粒信號的實際變化幅度和設定的變化幅度閾值相比。

當信號的變化幅度大于該閾值，則控制器會直接發出報警信號，具體如下式所示：

(3)

式中，y(t)為電信號的處理信號；T[]為傳感器轉換信號的處理方式；x(t)為傳感器對火災物理參數實施轉換以后的電信號；D[]為判斷邏輯，其中，0代表非火災，1代表火災；S為設定的變化幅度閾值。

(4)

對系統的延時和平均處理時間進行測試，系統的延時和平均處理時間的計算公式：

T=D-P

(5)

式中，T為基于無線傳感技術的煤礦火災自動報警系統的延時和平均處理時間；D為系統報警花費時間；P為火災報警控制器收到探測信號花費的時間。

系統的延時和平均處理時間的具體測試結果見表1。表1中基于無線傳感技術的煤礦火災自動報警系統的延時和平均處理時間測試結果表明，在點火后煙霧濃度較低時，系統需要一定時間對情況進行判斷，因此需要較長時間進行延時和平均處理。而在點火后煙霧濃度較高時，系統僅需較短時間進行延時和平均處理，說明系統探測火災時的抗干擾能力與可靠性較強，可以投入使用。

表1 系統延時和平均處理時間測試結果Tab.1 Test results of system delay and average processing time

通信延遲時間的測試結果具體如圖6所示。

圖6 通信延遲時間的測試結果Fig.6 Test results of communication delay time

接著對基于無線傳感技術的煤礦火災自動報警系統的無線通信網絡進行測試，信號通過無線通訊網絡傳遞至大屏幕，通過大屏幕顯示報警信息時，會存在一定延遲。當延遲時間過長，會對后續的人員疏散與滅火等行動造成影響。對系統無線通訊網絡的延遲時間進行測試。在該測試環節中，將現有的基于光纖技術的煤礦火災自動報警系統作為對比測試系統，共同進行測試。根據圖6的測試結果可知，相比基于光纖技術的煤礦火災自動報警系統，設計的基于無線傳感技術的煤礦火災自動報警系統的通訊延遲時間更短。并且系統報警整體花費時間也更短，對于后續的人員疏散與滅火等行動更有利。

3 結語

煤礦火災自動報警系統是一種很重要并且實用性很強的煤礦安防系統。在對當前的研究成果進行總結的基礎上，設計了一種基于無線傳感技術的煤礦火災自動報警系統，應用無線傳感技術搭建了無線傳感網絡，成功實現了通訊延遲的縮短，提高了系統的網絡性能。同時系統探測火災時的抗干擾能力與可靠性也有所提高，實現了系統的設計目標。在實驗過程中發現，系統無法實現火災煙霧量的量化表示，控制電路不夠完善，將會繼續改進。