王 鵬，蘇新彥，姚金杰

(中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)研究所，山西 太原 030051)

煤炭作為我國的主要能源，煤礦安全生產(chǎn)深受國家的重視。在近年來的煤礦事故案例中，絕大多數(shù)都是由于井下瓦斯爆炸所引起的，所以實(shí)時的掌握井下瓦斯?jié)舛葼顟B(tài)，能夠極大的減少煤礦事故的發(fā)生。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)的日益進(jìn)步，礦井安全預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)入了高速、便捷的新階段。

目前我國大多數(shù)礦井仍在使用光纜或電纜這種有線的傳輸信號方式，而有線方式價格昂貴、鋪設(shè)復(fù)雜、覆蓋面窄，并且如果部分線路損壞則將可能影響整個系統(tǒng)的正常使用。目前所使用的無線傳輸方式主要是透地通信技術(shù)與遠(yuǎn)距離的射頻感應(yīng)，而這種方式具有網(wǎng)絡(luò)功耗過大、數(shù)據(jù)容易堵塞和監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等缺點(diǎn)。針對這些問題，提出了基于ANT技術(shù)的礦井安全預(yù)警系統(tǒng)，其具有低功耗、易組網(wǎng)、成本低、好擴(kuò)展、維護(hù)方便等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和參考價值。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)按照采掘工作面劃分為不同的工作區(qū)域，在每個工作區(qū)域中，安全預(yù)警系統(tǒng)，主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心組成。其中傳感器節(jié)點(diǎn)作為整個系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，主要是負(fù)責(zé)收集工作區(qū)域內(nèi)空氣中的瓦斯?jié)舛润w積比，并經(jīng)過初步的處理之后，采用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信;中心節(jié)點(diǎn)，作為匯集工作區(qū)域內(nèi)各個傳感器所發(fā)的數(shù)據(jù)處理和中轉(zhuǎn)站，通過ANT 無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)通信，及時有效的把井內(nèi)瓦斯?jié)舛惹闆r上傳給監(jiān)控中心電腦，中心電腦通過軟件可以實(shí)現(xiàn)對中心節(jié)點(diǎn)所傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨時監(jiān)測礦井中瓦斯?jié)舛鹊淖兓Ｏ到y(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和初步處理節(jié)點(diǎn)，主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理存儲單元、數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元、報警單元和電源供給單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集單元由瓦斯感傳感器模塊構(gòu)成，傳感器模塊將采集的瓦斯?jié)舛刃畔⑥D(zhuǎn)化為電壓信號，瓦斯?jié)舛扰c電壓成正比例關(guān)系。傳感器模塊輸出的電壓信號連接到微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，并由處理器進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)V井內(nèi)工作區(qū)域的瓦斯?jié)舛润w積分?jǐn)?shù)超過1%時，傳感器節(jié)點(diǎn)開始報警。

2.2 中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計

中心節(jié)點(diǎn)是整個系統(tǒng)的處理和中轉(zhuǎn)站，把從傳感器收集來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理并通過無線傳輸?shù)姆绞剑瑐鬏斀o監(jiān)控中心的電腦。其主要由數(shù)據(jù)無線接收單元、數(shù)據(jù)處理存儲單元、數(shù)據(jù)無線發(fā)送單元、電源供給單元組成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中心節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)無線接收單元和發(fā)送單元，均由ANT 模塊組成，其中接收單元只是接收來自工作區(qū)域內(nèi)各個傳感器所發(fā)送的瓦斯?jié)舛刃畔?，而發(fā)送單元，只是把各個傳感器傳來的瓦斯?jié)舛染C合處理之后，發(fā)送給地面監(jiān)控中心。

3 軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)的程序主要完成:在系統(tǒng)初始化和網(wǎng)絡(luò)初始化后，傳感器開始采集并存儲數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過簡單處理后把數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)或者采用多跳方式通過附近的其他傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。其程序流程圖如圖4 所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

在單片機(jī)和ANT 初始化完成之后，首先單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)休眠時間到達(dá)設(shè)定秒，傳感器節(jié)點(diǎn)開始工作，傳感器對礦井中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行數(shù)據(jù)采集且轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將上述電壓信號分別連接到處理器的引腳上，輪流對通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集完成后，傳感器節(jié)點(diǎn)將瓦斯?jié)舛纫詳?shù)據(jù)包的形式傳送到該區(qū)域的中心節(jié)點(diǎn)。而傳感器節(jié)點(diǎn)也同時對采集到的濃度信息進(jìn)行處理分析，如果瓦斯?jié)舛瘸^安全閾值，則報警器開始報警。

3.2 中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

中心節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是匯集工作區(qū)域內(nèi)各個傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，把所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后發(fā)送給監(jiān)控中心。中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5 所示。

在單片機(jī)和ANT 初始化完成之后，ANT 接收模塊打開通道，等待傳感器數(shù)據(jù)的傳送，如果有數(shù)據(jù)發(fā)送則中心節(jié)點(diǎn)開始接收并處理儲存，然后再發(fā)送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.3 監(jiān)控中心軟件

監(jiān)控中心軟件主要用于瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)處理和分析，基于LABWINDOWS 實(shí)驗(yàn)，主要任務(wù)包括串口通信的收發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的顯示。數(shù)據(jù)顯示通過監(jiān)控軟件界面可定時顯示各個監(jiān)測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，并且能夠設(shè)定報警瓦斯?jié)舛乳撝?，?dāng)濃度超過閾值范圍則發(fā)出報警聲，同時將接收的瓦斯?jié)舛刃畔⒓皶r間保存到電腦數(shù)據(jù)庫便于以后對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，其測試軟件圖如圖6 所示。

圖6 測試軟件截圖

4 結(jié)束語

本文提出的基于ANT 技術(shù)的礦井無線安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)超低功耗狀態(tài)下采集工作區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，并通過監(jiān)控中心對其監(jiān)測、記錄并且進(jìn)行有效分析和合理判斷，可實(shí)現(xiàn)對礦井工作區(qū)域的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于ANT 技術(shù)傳輸性能和功耗都優(yōu)于其他無線傳輸方式，所以這種技術(shù)手段可以有效地節(jié)省資源，同時采用的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)難度。系統(tǒng)能夠更換不同的傳感器來監(jiān)測工作區(qū)域內(nèi)其他的環(huán)境參數(shù)(如濕度、溫度、有毒氣體等)，通用性比較強(qiáng)。

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