楊濟(jì)溶

(同煤集團(tuán)煤峪口礦)

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基于無線傳感器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

楊濟(jì)溶

(同煤集團(tuán)煤峪口礦)

摘要近年來，煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻，為有效解決煤礦生產(chǎn)中的安全問題，結(jié)合某礦生產(chǎn)實際情況，設(shè)計了一套以無線傳感器為基礎(chǔ)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，分析了安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理，硬件系統(tǒng)模塊采用了AT89S52微處理器、高靈敏度的紅外線數(shù)字傳感器等，軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計了主程序和子程序。通過在某礦投入使用，結(jié)果表明：無線傳感器安全監(jiān)控系統(tǒng)符合安全監(jiān)控要求，性能穩(wěn)定，能耗低，便于操作、檢修和維護(hù)，安全經(jīng)濟(jì)效益顯著。

關(guān)鍵詞無線傳感器煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)效益

近年來，礦井安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重?fù)p害了工人的生命權(quán)益，影響了礦井的正常生產(chǎn)[1-3]。加快完善煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)可避免礦井安全事故的發(fā)生[4-5]。無線傳感器的出現(xiàn)以及應(yīng)用可使得礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)具有更穩(wěn)定的性能和更完備的功能，這主要得益于無線傳感器監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件的先進(jìn)性，一般而言，硬件模塊主要包括微處理器、無線傳輸模塊等，軟件系統(tǒng)涵蓋了主程序和子程序[6]。因此，建立性能穩(wěn)定和功能完備的基于無線傳感器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有十分重要的意義[7]。

1系統(tǒng)工作原理

安全監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要組成部分是井上工作臺控制系統(tǒng)，另一輔助部分則為井下部分。系統(tǒng)設(shè)置有2種行走模式：紅外自動避障、無線遙控。2種行走模式的實現(xiàn)是通過控制核心AT89S52微處理器完成的。系統(tǒng)采用MQ-2、SHT10傳感器，監(jiān)測和采集礦井瓦斯的體積分?jǐn)?shù)、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并經(jīng)放大以及A/D 轉(zhuǎn)換，再傳輸至單片機(jī)，最后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線回傳，并可通過地面控制中心的操作模塊根據(jù)接收的數(shù)據(jù)信息發(fā)出相應(yīng)的操作指令。系統(tǒng)的供電是通過蓄電池和電壓轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)的。圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1微處理器

本系統(tǒng)采用AT89S52微控制器，它具有功耗低、性能高(CMOS8)等優(yōu)點。同時，它的Flash部分有8 k字節(jié)，RAM部分具有256字節(jié)，I/O口線為32位，定時器和計數(shù)器為16位，數(shù)量均為3個，2級中斷結(jié)構(gòu)有6向量，數(shù)量為1，接口為全雙工串行口，電路模式有低能耗空閑模式和掉電模式。

圖1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

2.2紅外傳感器

系統(tǒng)設(shè)置了避障裝置，為確定此裝置在運行過程中是否存在故障，利用具有高靈敏度的紅外線數(shù)字傳感器進(jìn)行檢測。這種傳感器不需要通過A/D轉(zhuǎn)換信號數(shù)據(jù)，可直接輸出數(shù)字量傳遞信號，通過傳感器與單片機(jī)的I/O口相接實現(xiàn)。此外，紅外傳感器不需要太大的電壓，電壓為3.8～5.5 V。同時該傳感器具有較大的檢測距離，最大距離可達(dá)1 m，且具有功耗低、可靠性高、體積小等優(yōu)勢。

2.3無線傳輸模塊

系統(tǒng)采用nRF905無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，屬于單片射頻收發(fā)器，具有較小的工作電壓，約為(2.8±0.8) V，模塊工作時有3個ISM頻段：433、868、915頻段，頻道轉(zhuǎn)換用時少，一般不會超過650 μs。傳輸速率大，最大達(dá)到100 kb/s，其與微控制器通過SPI接口實現(xiàn)通信。同時該模塊也具有低功耗特點，如在-10 dBm輸出功率發(fā)射情況下，電流較小，僅有11 mA，在接收情況下，電流也僅有12.5 mA。此外，為便于進(jìn)行功率管理，模塊設(shè)置了2種模式，即空閑模式和關(guān)機(jī)模式。

2.4溫濕度傳感器

為實時掌握礦井的溫度和濕度情況，采用SHT10溫濕度傳感器檢測并采集溫濕度數(shù)據(jù)。首先，SHT10溫濕度傳感器對信號進(jìn)行處理，而后集成數(shù)據(jù)，再將全標(biāo)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。此傳感器響應(yīng)速度快，具有較強的抗干擾能力。

2.5瓦斯傳感器

瓦斯對礦井的安全作業(yè)造成嚴(yán)重影響，因此，有效的瓦斯監(jiān)測體系對保證礦井安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。瓦斯的組成成分較多，主要為甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氮氣(N2)，硫化氫(H2S)等有害氣體含量較少[8-9]。系統(tǒng)采用MQ-2型瓦斯傳感器，靈敏度高，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性和可靠性高。探測甲烷時，探測范圍較大，達(dá)0.02。此外，還專門為MQ-2傳感器設(shè)計了檢測電路。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1主程序設(shè)計

在主程序設(shè)計過程中，采用了模塊化設(shè)計思路。首先對單片機(jī)進(jìn)行初始化，其次，使用系統(tǒng)采集礦井溫濕度等參數(shù)值，再將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過無線傳輸模塊傳送至無線數(shù)據(jù)接收模塊，然后傳送至AT89S52微處理器，通過數(shù)據(jù)處理，最后顯示在液晶屏上，如此循環(huán)往復(fù)。如果數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)安全值時，報警器就會發(fā)出報警信號。主程序流程見圖2。

圖2　主程序流程

3.2子程序設(shè)計

3.2.1傳感器子程序

系統(tǒng)采用了瓦斯、溫濕度傳感器，二者均具有較高的靈敏度，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣之前，應(yīng)先連接傳感器和單片機(jī)并通電，將采樣數(shù)據(jù)值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果采樣數(shù)據(jù)值大于預(yù)設(shè)數(shù)值，則報警器就會發(fā)出報警信號。傳感器流程見圖3。

圖3　傳感器流程

3.2.2無線傳輸子程序

系統(tǒng)傳輸與接收數(shù)據(jù)均通過nRF905實現(xiàn)。單片機(jī)通過控制發(fā)射模塊處理數(shù)據(jù)，而后發(fā)射端接收處理后的數(shù)據(jù)并發(fā)送，nRF905模塊則向單片機(jī)進(jìn)行信號反饋。接收端是由單片機(jī)控制，實質(zhì)上是通過nRF905模塊進(jìn)入接收模式實現(xiàn)。若nRF905模塊搜索到與之頻段相同的信號，并具有相匹配的地址，才能接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收完成后，接收端單片機(jī)就會提取相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3井上控制中心監(jiān)管軟件設(shè)計

在地面控制中心設(shè)計了監(jiān)管軟件系統(tǒng)，包括若干子系統(tǒng)，主要由操作子系統(tǒng)、監(jiān)測子系統(tǒng)等組成。該軟件系統(tǒng)采用Delphi7.0編寫，其后臺數(shù)據(jù)庫為Microsoft Access 2003，可將各種參數(shù)直觀地顯示出來，主要以表格、函數(shù)曲線等形式表示，方便打印。同時，操作電腦屏幕上還有報警顯示圖標(biāo)，雙擊可獲得報警統(tǒng)計信息。

4系統(tǒng)應(yīng)用效果

某礦在礦井生產(chǎn)中存在監(jiān)控體系不完善、穩(wěn)定差等問題，對其改進(jìn)設(shè)計并投入應(yīng)用。結(jié)果表明：該監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，且便于操作和維護(hù)，具有實時監(jiān)測、無線通信等功能，報警系統(tǒng)靈敏，可監(jiān)控礦井大部分區(qū)域，多次成功處理并避免了井下生產(chǎn)中的安全隱患。此外，該監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)省了大量電能，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5結(jié)語

基于無線傳感器的安全監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)長時間無故障工作；具有全方位、多角度監(jiān)控功能，可全面監(jiān)控礦井的生產(chǎn)狀況；檢測精度高，可實時精確掌握礦井的工作狀態(tài)；體積小，便于安裝和維護(hù)；功耗低，節(jié)約了大量的電能。系統(tǒng)符合礦山的安全監(jiān)控要求，具有較好的推廣價值。

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(收稿日期2015-12-12)

楊濟(jì)溶(1989—),女,助理工程師,037041 山西省大同市。