陳代偉，王 雷，孟凡猛，錢正峰

(1.鎮(zhèn)江中煤電子有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212016；2.中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引 言

煤炭行業(yè)在我國具有非常重要的地位。近年來，隨著我國工業(yè)水平的進步，煤炭需求量不斷增加，使得煤礦事故出現(xiàn)的概率增大，特別是瓦斯爆炸，已經(jīng)嚴重威脅工作人員的生命安全。過去采用的監(jiān)測系統(tǒng)，通常是使用有線技術對煤礦信息進行傳送。傳送期間要利用A/D轉換器，監(jiān)測過程中需要經(jīng)過很多環(huán)節(jié)，且很難確保監(jiān)測的準確性，大大增加了煤礦開采的成本。采用無線網(wǎng)絡技術監(jiān)控瓦斯，能夠加強瓦斯監(jiān)測的準確度，減少監(jiān)測成本，提高煤礦開采的效率。

1 無線傳感器網(wǎng)絡煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的介紹

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

傳感器、分站和執(zhí)行器是監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器能夠對數(shù)據(jù)進行測量；分站采集和轉換數(shù)據(jù)，然后通過光纖以太環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬷行恼?；?zhí)行器通過分站收集到的數(shù)據(jù)和地面中心站下發(fā)的命令，控制井下設備[1]。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點

過去采用的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)屬于有線模式，在收集和傳輸數(shù)據(jù)時，要在煤礦上安裝數(shù)據(jù)傳輸線路。但是，煤礦井下本身的空間十分狹小，如果安裝線路會進一步縮小空間，影響煤炭開采工具的運用[2]。此外，需要經(jīng)常改變煤礦井下的結構，極有可能造成一些線路的破壞，從而影響整個線路的監(jiān)控工作。同有線檢測系統(tǒng)相比，無線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢主要有：第一，無線監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器不大，能夠更好地應用于大型煤礦設備；第二，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點分布在整個煤礦中，可以采取高密度監(jiān)測，加強煤礦監(jiān)測的精準性，從而加強煤礦開采和生產(chǎn)的安全性；第三，無線監(jiān)控網(wǎng)絡的智能化，能夠使監(jiān)測數(shù)據(jù)合理處理和儲存，并且能夠根據(jù)環(huán)境的實際情況采取調整；第四，無線監(jiān)控系統(tǒng)的能量主要來源于電池，能夠防止因為斷電造成監(jiān)測系統(tǒng)不能正常工作的情況，從而提高監(jiān)測系統(tǒng)的工作效率。

2 無線傳感器網(wǎng)絡煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)使用的意義

煤炭作為我國能源的主要構成部分，其開采力度極為關鍵，開采期間也極有可能出現(xiàn)安全問題。瓦斯爆炸是發(fā)生概率最高的事故。若想降低瓦斯爆炸出現(xiàn)的概率，降低其造成危害，相關工作者必須制定出有效的措施。

無線傳感器網(wǎng)絡煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)的運用，一定程度上加強了煤礦生產(chǎn)的安全性，有效減少了瓦斯爆炸出現(xiàn)的概率。監(jiān)測系統(tǒng)所需部件的價格比較合適，且質量很好，能夠有效運用到煤礦生產(chǎn)工作中，從而提高煤礦生產(chǎn)的工作效率和安全性。因此，在今后的工作中，工作人員一定要重視對無線傳感器網(wǎng)絡煤礦瓦斯檢測系統(tǒng)的運用和研究[3]。

3 系統(tǒng)實施方案

想要對瓦斯氣體濃度采取有效監(jiān)測，在開采期間避免瓦斯爆炸情況的發(fā)生，需要將無線傳感器網(wǎng)絡融入煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)，并設立兩種節(jié)點：一是固定分布在礦井里的節(jié)點，主要采集礦井里瓦斯氣體濃度數(shù)據(jù)，然后將其傳輸給監(jiān)控中心，并在瓦斯?jié)舛冗^高時，能夠第一時間報警；二是礦工所佩帶的移動節(jié)點，能夠隨時監(jiān)測瓦斯?jié)舛?，從而有效防止瓦斯爆炸事件的發(fā)生[4]。

3.1 傳感器節(jié)點硬件設計

瓦斯傳感器、微控制器、電源模塊、無線通信模塊以及電池供電等，是瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的重要組成部分。

3.1.1 瓦斯傳感器

在收集瓦斯氣體濃度數(shù)據(jù)時，會使用到瓦斯傳感器。在礦井里使用紅外瓦斯傳感器檢測瓦斯?jié)舛?，再使用電壓信號代表濃度?shù)據(jù)，對標準電壓采取分差計算后，把全部獲得的電壓差傳輸?shù)娇刂撇糠帧?/p>

CH217芯片能夠在瓦斯?jié)舛冗^量的情況下立刻報警，然后把數(shù)據(jù)傳輸進微控制器。此芯片具有兩個報警通道，能夠發(fā)送預報和危險兩項報警信號。

3.1.2 微控制器

單片機和周圍電路是微控制器的主要組成部分。單片機從串行通信口接收程序，然后處理瓦斯傳感器和無線收發(fā)的數(shù)據(jù)，同時掌控無線接收。通常，人們青睞于使用ATmegal128L單片機。和過去采用的處理器相比，它能夠很大程度地減少對PC機結構上的依賴，有效加強監(jiān)測系統(tǒng)的運行能力。同時，衛(wèi)星處理器能夠加強監(jiān)測水平，降低能量消耗，對提高生產(chǎn)效率和安全性具有良好效果。微處理器具有的閃存程序和其他程序能夠有效融合，因此生產(chǎn)價格適中，有效降低了監(jiān)測系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。

3.1.3 電源模塊

系統(tǒng)要有效運行，離不開本安電源。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中，電源模塊的主要作用是給系統(tǒng)的所有節(jié)點傳送電能，通過在監(jiān)測系統(tǒng)中對節(jié)點能量消耗的實際情況來看，最好選用PAM2400穩(wěn)壓芯片。系統(tǒng)運行期間，系統(tǒng)電壓保持在3～3.3 V。此芯片能夠在很多環(huán)境條件下運行，不會耗費太多能源，能夠有效降低監(jiān)測系統(tǒng)的能耗。

3.1.4 無線通信模塊

此模塊的主要作用是接收和互換各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，但是要耗費很多能量。根據(jù)這種情況，可以選用nRF2401的單射頻收發(fā)芯片，在2.4～2.5 GHz ISM的頻段運行。此外，它還有頻率合成器、功率放大器等模塊，輸出功率能夠利用相應的程序來搭配，不會耗費太多能量。

3.1.5 電池供電

當傳感器的本安供電被斷開后，傳感器就依靠自身的鋰電池供電。鋰電池采用5 V、5 Ah的規(guī)格，持續(xù)工作可達48 h以上。

3.2 傳感器節(jié)點的軟件設計

3.2.1 節(jié)點的通信設計

傳感器的作用是收集井下的瓦斯?jié)舛龋缓蟀褦?shù)據(jù)傳輸?shù)骄路终?，再把井下分站獲取的數(shù)據(jù)傳入井上主站。此外，它能夠傳輸調度信號。

節(jié)點要先進行初始化才進入采集數(shù)據(jù)周期。一個周期結束后，它能夠對系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)請求，在獲得回應的情況下傳輸數(shù)據(jù)，完成后再返回。

3.2.2 監(jiān)控設計軟件

監(jiān)控軟件是在Netbean中的Java語言下設計的，包含對數(shù)據(jù)、圖像、傳感器報警值等方面的設置，且要和局域網(wǎng)銜接，能夠達到數(shù)據(jù)共享的目標。

3.2.3 ZigBee路由協(xié)議

在無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計過程中，通常采用按需距離矢量路由。它只保持需要的路由。節(jié)點只需要對下一跳進行記錄，不需要像源節(jié)點路由對整體進行記錄。它可以對網(wǎng)絡的所有移動節(jié)點動態(tài)地創(chuàng)建逐跳路由。

如果目的節(jié)點獲取到了相關數(shù)據(jù)，那么源節(jié)點回復路由要順著創(chuàng)建的反向路由往源節(jié)點輸送。反之，要利用路由請求分組(RREQ)的信息更新路由表，在路由表里增設一個路由條目，然后利用附近的節(jié)點傳播RREQ。如果節(jié)源點獲取了RREP，就能夠發(fā)送數(shù)據(jù)包轉給目的節(jié)點。

3.2.4 兩類節(jié)點通信

移動節(jié)點的作用是把收集的數(shù)據(jù)利用無線信道進行發(fā)送。固定節(jié)點的作用是能夠建立無線網(wǎng)絡，并對網(wǎng)絡中的另一些節(jié)點屬性進行設置，收集無線信道中的節(jié)點數(shù)據(jù)，然后傳送到上位機。移動節(jié)點會按時往固定節(jié)點傳輸請求信號，如果收到信號，要對兩模塊進行銜接。此時，移動點會把收集的數(shù)據(jù)傳輸進固定節(jié)點。

3.2.5 節(jié)點軟件工作流程

若要降低功耗，無線傳感器節(jié)點最好使用喚醒和休眠的工作機制。如果沒有事件出現(xiàn)，節(jié)點會保持休眠，處理器會停止運行，無線模塊也會處于待接收狀態(tài)。收到匯聚點時，節(jié)點會獲取鄰節(jié)點進行工作，等工作結束后，再次進行休眠[5]。

4 結 論

為了加強煤礦開采的安全性，防止瓦斯爆炸等安全事故的發(fā)生，本文提出了采用無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。為了更好地運用此系統(tǒng)，需要合理設計其傳感器節(jié)點的硬件和軟件，使其充分體現(xiàn)基于無線傳感器網(wǎng)絡煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的價值。