基于物联网的煤矿安全监测系统研究

张雪平,杨兴全

(1.宜宾学院电子科学与技术研究所,四川宜宾,644000; 2.四川化工职业技术学院,四川泸州,646000）

基于物联网的煤矿安全监测系统研究

张雪平1,杨兴全2

(1.宜宾学院电子科学与技术研究所,四川宜宾,644000; 2.四川化工职业技术学院,四川泸州,646000）

本文提出了一种新型的煤矿物联网生产安全监测系统结构，分析了煤矿物联网的系统配置及其特点，阐述了物联网下煤矿生产安全监测系统的实现方式，完成了煤矿井下节点主要芯片的选型与外围电路设计。

物联网；煤矿；安全监测

0 引言

传统意义上的煤矿监测控制系统主要是由井上控制中心与现场测控分站等两个部分构成，属于集中控制模式。这一模式实时性差，兼容性也不好。鉴于以太网技术的发展，煤矿井下网络开始应用高速工业以太网，光纤通信网络、电脑网络以及嵌入式系统等一系列先进技术被运用于其中。然而，这类有线系统尚存在着速率不高，覆盖面较小、灵活性不够等问题。为此，笔者将新型传感器、无线传感器网络以及射频识别等技术于一体的物联网技术应用到煤矿安全生产之中，从而为现代煤矿企业的安全生产提出了新的发展方向。物联网作为物、物相连的互联网络，是现代信息技术的重要组成部分之一，其本质在于互联网的特征，要确保互联与互通，具有自动识别、无线通信、自我反馈和智能控制等多种功能。

1 煤矿物联网生产安全监测系统结构

煤矿物联网采取有线加无线的综合性网络结构体系，在现有的工业以太网基础上增加物联网传感器以及无线宽带技术，从而构建起无线传感与光纤传输网络，系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

系统将矿井的网络体系分成信息管理层、接入层和设备层。以工业以太环网和工业现场总线为基础构建综合数字化信息传输平台，以组态软件和实时数据库为基础，利用网络技术和工业总线技术将矿井设备的数据通过工业以太网协议传到调度控制中心统一的软件平台，实现在调度控制中心对生产设备集中监控，提高生产过程的管理能力和技术水平。地形较为开阔和便于布线的大巷区域运用光纤工业以太网加上现场总线的网络结构，作为实施井下监控的主要网络，无线传感器主要架设于地形较为崎岖、人员难以到达的地区，例如，老空堂、井筒和工作面上事故多发区等。如此网络结构能覆盖井下所有区域，从而现全面覆盖。嵌入式综合接入网关则能实现光纤骨干网络、无线传感器网络之联结，无线传感器网络与有线传感器网络能够把搜集到的数据运用光纤骨干网传输至地面上的控制中心，中心视频监视设备与数据分析设备即可对生产的全过程实施全面、实时监控。如果发生了事故，控制中心还可依据监测到的实时画面与数据，对相关人员实施指挥，并且发出必要的警报。同时，聚类分层网络结构则能更为有效地解决井下网络具有的面积较大、覆盖困难、移动节点多等诸多问题。信息管理层又可以分成两大部分，安全保障和生产组织管理。相关管理人员可以利用计算机技术全面监测矿井的生产状况，一旦发现异常现象就及时采取相应的措施消除不良影响，保证矿井施工的安全。同时，还可以获取大量的生产组织管理数据资料，并通过生产调度、机电管理、物流管理、工业自动化控制等方面协同工作，大大提高工作效率。接入层是网络体系的核心层，采用矿用多路光纤多种业务接入平台，获取大量数据信息，并通过相应的设备进行数据处理，保证网络系统的正常运行。设备层则主要是多种设备同时运行，这些设备工作质量和运行的正常与否直接关系到信息管理层获取数据的准确性以及矿井安全生产组织管理效果。设备层有通信设备、考勤定位设备、井下摄像仪、工业大屏、现场控制设备、应急救援通信设备、通风设备等。

2 物联网下煤矿安全监测系统配置及其特点

煤矿安全生产监测系统的主要宗旨是为客户提供综合性的全面解决方案，从而改造原有的煤矿井下生产体系，建立起融合工作监控、设备控制以及系统检测等多种功能于一体的监控体系，从而构建监控平台，在统一网络监控体系上对多种电器设备运行情况以及煤矿安全环境实施，更加有效的监控，实现对煤矿整体自动化系统实施组态设计。具体来说，物联网下煤矿安全监测系统配置具有以下特点：其一是高速性。为确保煤矿井下生产数据的处理具备快速性、稳定性以及可靠性，煤矿整体自动化系统通过两台以上的核心交换机以提供充分的保障。其二是存储性。煤矿自动化物联网系统所具有的安全信息来自于各子系统的基础性数据。以上安全数据信息运用光纤环网进行实时采集，并且能将以上信息进行存储，以备查阅与分析，还能实施灾难预警。其三是共享性。运用物联网系统能全面实现资源共享，企业客户可运用物联网系统浏览与管理有关的数据。同时，企业管理人员也可运用物联网了解企业的实时生产信息，从而便于企业管理者及时做出相应的决策。其四是安全性。煤矿自动化物联网可应用企业级杀毒软件以及高端硬件防火墙，从而保障物联网系统的安全。其五是稳定性。煤矿自动化物联网系统采用浏览器与客户端结构，确保数据稳定、高速、流畅。

3 物联网下煤矿安全监测系统实现方式

3.1 安全监测系统的接入方式

基于物联网技术的煤矿安全监测系统可运用以下接入方式加以保障：一是OPC方式，接入安置OPC服务器实现数据之间的相互交换，运用控制工作面单元桥接与调节通讯应用程序，从而实现各类实时数据的存储、提供以及使用。通过在管控网络单元的服务器中设计有支持OPC协议的组态软件，可直接与具有OPC服务器的现场单元系统存取数据，便可以与数据源进行通讯程序和现场过程控制建立桥梁，相互之间进行实时数据交换。二是数据库接入方式。物联网的其它数据库以及地面控制中心的组态软件原来就有连接的接口，只需开发相应的组态软件即可轻松实现连接。三是以太网接入方式。如今，煤矿井下主要运用的是RS485、422与CAN总线，这类设备的实时采集数据难以直接连接交换机，需要进行转换才能传输至安全信息服务器中，而应用以太网就能弥补RS485、422以及CAN等不足，从而做到扬长避短，更好地发挥作用。通过数据转换协议将实时采集的数据转换成支持工业以太网协议的实时数据，并将其传输给交换机，然后再由采集服务器对数据进行统一处理，便可以实时获取大量的数据信息，提高矿井安全性。四是QWT198接入方式。由于我国经济的持续发展，出现了矿用隔爆交换机，具备了CAN以太网信号的转换方式。

3.2 井下无线监测节点硬件设计

（1）井下基站

基站由无线收发模块，16位超低功耗微处理器MSP430共同构成。基站是整个系统的枢纽环节，是实现识别卡一基站一分站之间的顺利通讯的保证。无线收发模块不仅可以作为待定节点用于定位数据收发，还可以配置与基站用作调节器功能实现数据收发。多种工作模式使其尤为适应要求功耗较低的系统，运行模式之间的快速转换也进一步确保芯片低能源消耗。基站硬件核心由MSP430F449, CAN控制器MCP2515, CAN收发器TJA1050共同构成，主要实现将无线通信模块发送的数据和基站编号，结合时间一起封装成为符合CAN总线传输协议的标准数据帧等待查询命令上传到分站。MSP430系列单片机的CPU采用16位精简指令系统，寄存器资源丰富，芯片处理控制能力强大和操作方式简单灵活。各存储器均采用同一结构，就使得芯片外围模块寄存器的操作像普通RAM单元一样方便、灵活。另外该芯片具有较强的外围模块扩展能力，完善的功耗管理部件，保证了软件可以灵活地设置CPU的各种工作方式，在满足性能的基础上最大幅度降低功耗。

（2）井下分站

分站采用DSP微处理器及其扩展的串口、JTAG接口等组成。DSP微处理器选用C2000平台上的定点32位DSP芯片TMS320F2812。该芯片适合用于工业控制，电机控制等，用途广泛，相当于单片机的升级版。分站主要完成的任务有：采用定时轮询的方式将各个基站存储的数据通过CAN总线汇总，将信息分解提取有用信息，进行定位计算，得到无线识别卡的精确位置并将其与解译出的时间信息存储，等待井上监控机的调度显示。TOP2812可实现快速的大量数据运算和算法要求，拥有大量的外设资源，高达128字节的程序存储闪存，128字节的只读存储器，具有8位WDT模块，高速SPI接口，最多可实现45个外设中断。

（3）主芯片选型

基站主芯片采用CC2430芯片,硬件设计结构如图2所示。CC2430整合了ZigBee射频（RF），符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的无线电收发，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能。射频输入输出端口独立，不需要外部TX/RX开关，芯片自天线之间的电路架构由平衡/非平衡器与少量低价电容与电感组成，可替代平衡式天线，无线节点电路如图3所示。

图2 无线节点硬件

图3 无线节点电路

3.3 外围电路设计

（1）电源模块

供电系统模块为其他模块提供工作所需的电能，保证节点的正常工作。由于无线传感网络节点的可移动性，电源采用干电池供电的方式。整个系统输入为2A的开关电源，为保持统一，ZigBee模块同样采用SV供电，采用LM1117作为稳压器将不够稳定的SV电压转化为稳定的3.3V电压，C16，L4和C17组成I-I型滤波电路，D1发光二极管为电源指示灯。

（2）JTAG调试模块

通过20针标准JTAG调试口插座与CC2530连接，CC2530支持SWD调试，标准的JTAG调试需要占用5个I/O口，而用SWD则只需要2个I/O口，大大节约了I/O数量，调试主要用到SWDIO 、SWCLK和复位引脚，SWCLk为调试时钟，SWDIO为调试数据，JTAG nRST为低电平有效的复位信号，此接口连接仿真器Jlink即可对ZigBee模块进行下载或仿真。

（3）串口模块

串口是传统的PC接口，本系统采用串口连接协调器和PC机实现数据的交互。但CC2430串口输出电平为CMOS电平，与PC机串口电平不匹配，需要一个电平转换电路将两种电平进行匹配，这里采用9芯的MAX202作为RS232标准接口。

（4）复位电路

VCC上电时，当S1松开，电容充电，在R15上出现电压，使得系统复位；几毫秒后，电容充满电，R15上的电流、电压均为0，JTAG nRST降为低电平，使系统进入工作状态；当按下复位键S1时，电容放电，JTAG nRST直接与VCC连接，即为高电平，此时进入复位状态。

4 结束语

煤矿生产系统十分复杂，工作环境极为恶劣，人员相对集中，而且地质条件变化多端，在井下工作往往会出现新情况，一旦无法及时采取合理措施，就可能会造成灾难。煤矿物联网安全监测系统结合了煤矿原有的工业以太网，应用了传感器技术以及无线宽带技术，以工业以太网为基础网络而构建。这一网络能够较好地满足煤矿井下安全监管、报警以及应急事件处理等各项需求，从而真正实现了煤矿安全生产控制、实时监测、人员跟踪、灾害预警以及抢险救灾等诸多功能，从而为煤矿安全生产提供良好的保障。

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[2] 李峥,苗曙光. ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用[J].仪表技术与传感器,2010.8:57-59.

[3] 蒋恒深,张晓光，李辉，仝维仁.基于Zigbee的综采工作面设备及环境远程监测系统设计[J].仪表技术与传感器,2010.9:36-39.

Research of Coal Mine Safety Monitoring System Based on Internet of Things

Zhang Xueping1,Yang Xingquan2
(1.Yibin University Electronic Science and TechnologyInstitute,Yibin,644000,Sichuan China; 2.Sichuan Vocational College of Chemical Technology,Lu Zhou,646000,Sichuan,China)

This paper presents a new type of coal mine production safety monitoring system network structure,analysis of the system configuration and the characteristics of coal mine Internet of things, the implementation of coal mine production safety monitoring system of Internet of things, completed the selection and coal mine main chip nodes around circuit design.

internet of things；coal mine；Safety monitoring

四川省宜宾市重点科技项目（编号：2011GY028）