基于ANT 技术的矿井安全预警系统设计

王 鹏，苏新彦，姚金杰

(中北大学 信息探测与处理技术研究所，山西 太原 030051)

煤炭作为我国的主要能源，煤矿安全生产深受国家的重视。在近年来的煤矿事故案例中，绝大多数都是由于井下瓦斯爆炸所引起的，所以实时的掌握井下瓦斯浓度状态，能够极大的减少煤矿事故的发生。随着计算机技术的不断发展和传感器技术、无线通信技术的日益进步，矿井安全预警系统进入了高速、便捷的新阶段。

目前我国大多数矿井仍在使用光缆或电缆这种有线的传输信号方式，而有线方式价格昂贵、铺设复杂、覆盖面窄，并且如果部分线路损坏则将可能影响整个系统的正常使用。目前所使用的无线传输方式主要是透地通信技术与远距离的射频感应，而这种方式具有网络功耗过大、数据容易堵塞和监测数据不准等缺点。针对这些问题，提出了基于ANT技术的矿井安全预警系统，其具有低功耗、易组网、成本低、好扩展、维护方便等特点，具有很强的实用性和参考价值。

1 系统整体方案

系统按照采掘工作面划分为不同的工作区域，在每个工作区域中，安全预警系统，主要由传感器节点、中心节点、监控中心组成。其中传感器节点作为整个系统的终端节点，主要是负责收集工作区域内空气中的瓦斯浓度体积比，并经过初步的处理之后，采用树形拓扑结构与中心节点进行无线数据通信;中心节点，作为汇集工作区域内各个传感器所发的数据处理和中转站，通过ANT 无线网络与监控中心进行实时的数据通信，及时有效的把井内瓦斯浓度情况上传给监控中心电脑，中心电脑通过软件可以实现对中心节点所传数据进行分析，随时监测矿井中瓦斯浓度的变化。系统示意图如图1 所示。

图1 系统示意图

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点设计

传感器节点是整个系统的数据采集和初步处理节点，主要由数据采集单元、数据处理存储单元、数据无线发送单元、报警单元和电源供给单元组成，其结构如图2 所示。

图2 传感器节点硬件结构图

数据采集单元由瓦斯感传感器模块构成，传感器模块将采集的瓦斯浓度信息转化为电压信号，瓦斯浓度与电压成正比例关系。传感器模块输出的电压信号连接到微处理器的模数转换通道，并由处理器进行采样和转换。当矿井内工作区域的瓦斯浓度体积分数超过1%时，传感器节点开始报警。

2.2 中心节点设计

中心节点是整个系统的处理和中转站，把从传感器收集来的数据，进行处理并通过无线传输的方式，传输给监控中心的电脑。其主要由数据无线接收单元、数据处理存储单元、数据无线发送单元、电源供给单元组成。其结构如图3所示。

图3 中心节点的硬件结构图

数据无线接收单元和发送单元，均由ANT 模块组成，其中接收单元只是接收来自工作区域内各个传感器所发送的瓦斯浓度信息，而发送单元，只是把各个传感器传来的瓦斯浓度综合处理之后，发送给地面监控中心。

3 软件设计

3.1 传感器节点软件设计

传感器节点的程序主要完成:在系统初始化和网络初始化后，传感器开始采集并存储数据，然后经过简单处理后把数据发送给中心节点或者采用多跳方式通过附近的其他传感器节点与中心节点实现数据的传输。其程序流程图如图4 所示。

图4 传感器节点程序流程图

在单片机和ANT 初始化完成之后，首先单片机进入休眠状态，当休眠时间到达设定秒，传感器节点开始工作，传感器对矿井中瓦斯浓度进行数据采集且转换为电压信号，并将上述电压信号分别连接到处理器的引脚上，轮流对通道的数据进行采集。数据采集完成后，传感器节点将瓦斯浓度以数据包的形式传送到该区域的中心节点。而传感器节点也同时对采集到的浓度信息进行处理分析，如果瓦斯浓度超过安全阈值，则报警器开始报警。

3.2 中心节点软件设计

中心节点的主要任务是汇集工作区域内各个传感器发送的数据，把所收集的数据进行处理之后发送给监控中心。中心节点程序流程图如图5 所示。

在单片机和ANT 初始化完成之后，ANT 接收模块打开通道，等待传感器数据的传送，如果有数据发送则中心节点开始接收并处理储存，然后再发送给监控中心，监控中心对瓦斯浓度的数据进行分析。

图5 中心节点程序流程图

3.3 监控中心软件

监控中心软件主要用于瓦斯浓度数据处理和分析，基于LABWINDOWS 实验，主要任务包括串口通信的收发、数据的存储和数据的显示。数据显示通过监控软件界面可定时显示各个监测点的瓦斯浓度数据，并且能够设定报警瓦斯浓度阈值，当浓度超过阈值范围则发出报警声，同时将接收的瓦斯浓度信息及时间保存到电脑数据库便于以后对数据进行查询和分析，其测试软件图如图6 所示。

图6 测试软件截图

4 结束语

本文提出的基于ANT 技术的矿井无线安全预警系统的设计，可以实现超低功耗状态下采集工作区域内的瓦斯浓度，并通过监控中心对其监测、记录并且进行有效分析和合理判断，可实现对矿井工作区域的瓦斯浓度进行远程监控。由于ANT 技术传输性能和功耗都优于其他无线传输方式，所以这种技术手段可以有效地节省资源，同时采用的树形拓扑结构也大大降低了系统的维护难度。系统能够更换不同的传感器来监测工作区域内其他的环境参数(如湿度、温度、有毒气体等)，通用性比较强。

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