基于无线传感器的煤矿安全监控系统研究

杨济溶

(同煤集团煤峪口矿)



基于无线传感器的煤矿安全监控系统研究

杨济溶

(同煤集团煤峪口矿)

摘要近年来，煤矿安全生产形势依然严峻，为有效解决煤矿生产中的安全问题，结合某矿生产实际情况，设计了一套以无线传感器为基础的安全监控系统，分析了安全监控系统的工作原理，硬件系统模块采用了AT89S52微处理器、高灵敏度的红外线数字传感器等，软件系统模块设计了主程序和子程序。通过在某矿投入使用，结果表明：无线传感器安全监控系统符合安全监控要求，性能稳定，能耗低，便于操作、检修和维护，安全经济效益显著。

关键词无线传感器煤矿安全监控系统安全经济效益

近年来，矿井安全事故频发，严重损害了工人的生命权益，影响了矿井的正常生产[1-3]。加快完善煤矿安全监控系统可避免矿井安全事故的发生[4-5]。无线传感器的出现以及应用可使得矿井安全监控系统具有更稳定的性能和更完备的功能，这主要得益于无线传感器监控系统软、硬件的先进性，一般而言，硬件模块主要包括微处理器、无线传输模块等，软件系统涵盖了主程序和子程序[6]。因此，建立性能稳定和功能完备的基于无线传感器的煤矿安全监控系统具有十分重要的意义[7]。

1系统工作原理

安全监控系统的一个重要组成部分是井上工作台控制系统，另一辅助部分则为井下部分。系统设置有2种行走模式：红外自动避障、无线遥控。2种行走模式的实现是通过控制核心AT89S52微处理器完成的。系统采用MQ-2、SHT10传感器，监测和采集矿井瓦斯的体积分数、温度、湿度等数据，并经放大以及A/D 转换，再传输至单片机，最后实现数据的无线回传，并可通过地面控制中心的操作模块根据接收的数据信息发出相应的操作指令。系统的供电是通过蓄电池和电压转换模块来实现的。图1为系统的结构原理。

2系统硬件设计

2.1微处理器

本系统采用AT89S52微控制器，它具有功耗低、性能高(CMOS8)等优点。同时，它的Flash部分有8 k字节，RAM部分具有256字节，I/O口线为32位，定时器和计数器为16位，数量均为3个，2级中断结构有6向量，数量为1，接口为全双工串行口，电路模式有低能耗空闲模式和掉电模式。

图1　系统的结构原理

2.2红外传感器

系统设置了避障装置，为确定此装置在运行过程中是否存在故障，利用具有高灵敏度的红外线数字传感器进行检测。这种传感器不需要通过A/D转换信号数据，可直接输出数字量传递信号，通过传感器与单片机的I/O口相接实现。此外，红外传感器不需要太大的电压，电压为3.8～5.5 V。同时该传感器具有较大的检测距离，最大距离可达1 m，且具有功耗低、可靠性高、体积小等优势。

2.3无线传输模块

系统采用nRF905无线数据传输模块，属于单片射频收发器，具有较小的工作电压，约为(2.8±0.8) V，模块工作时有3个ISM频段：433、868、915频段，频道转换用时少，一般不会超过650 μs。传输速率大，最大达到100 kb/s，其与微控制器通过SPI接口实现通信。同时该模块也具有低功耗特点，如在-10 dBm输出功率发射情况下，电流较小，仅有11 mA，在接收情况下，电流也仅有12.5 mA。此外，为便于进行功率管理，模块设置了2种模式，即空闲模式和关机模式。

2.4温湿度传感器

为实时掌握矿井的温度和湿度情况，采用SHT10温湿度传感器检测并采集温湿度数据。首先，SHT10温湿度传感器对信号进行处理，而后集成数据，再将全标定的数据进行传送。此传感器响应速度快，具有较强的抗干扰能力。

2.5瓦斯传感器

瓦斯对矿井的安全作业造成严重影响，因此，有效的瓦斯监测体系对保证矿井安全生产具有十分重要的意义。瓦斯的组成成分较多，主要为甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)，硫化氢(H2S)等有害气体含量较少[8-9]。系统采用MQ-2型瓦斯传感器，灵敏度高，响应速度快，稳定性和可靠性高。探测甲烷时，探测范围较大，达0.02。此外，还专门为MQ-2传感器设计了检测电路。

3系统软件设计

3.1主程序设计

在主程序设计过程中，采用了模块化设计思路。首先对单片机进行初始化，其次，使用系统采集矿井温湿度等参数值，再将系统采集的数据进行A/D转换，通过无线传输模块传送至无线数据接收模块，然后传送至AT89S52微处理器，通过数据处理，最后显示在液晶屏上，如此循环往复。如果数据大于预设安全值时，报警器就会发出报警信号。主程序流程见图2。

图2　主程序流程

3.2子程序设计

3.2.1传感器子程序

系统采用了瓦斯、温湿度传感器，二者均具有较高的灵敏度，在进行数据采样之前，应先连接传感器和单片机并通电，将采样数据值与预设值进行比较，如果采样数据值大于预设数值，则报警器就会发出报警信号。传感器流程见图3。

图3　传感器流程

3.2.2无线传输子程序

系统传输与接收数据均通过nRF905实现。单片机通过控制发射模块处理数据，而后发射端接收处理后的数据并发送，nRF905模块则向单片机进行信号反馈。接收端是由单片机控制，实质上是通过nRF905模块进入接收模式实现。若nRF905模块搜索到与之频段相同的信号，并具有相匹配的地址，才能接收数据。数据接收完成后，接收端单片机就会提取相关数据。

3.3井上控制中心监管软件设计

在地面控制中心设计了监管软件系统，包括若干子系统，主要由操作子系统、监测子系统等组成。该软件系统采用Delphi7.0编写，其后台数据库为Microsoft Access 2003，可将各种参数直观地显示出来，主要以表格、函数曲线等形式表示，方便打印。同时，操作电脑屏幕上还有报警显示图标，双击可获得报警统计信息。

4系统应用效果

某矿在矿井生产中存在监控体系不完善、稳定差等问题，对其改进设计并投入应用。结果表明：该监控系统性能稳定，且便于操作和维护，具有实时监测、无线通信等功能，报警系统灵敏，可监控矿井大部分区域，多次成功处理并避免了井下生产中的安全隐患。此外，该监控系统节省了大量电能，经济效益显著。

5结语

基于无线传感器的安全监控系统具有较高的稳定性，可实现长时间无故障工作；具有全方位、多角度监控功能，可全面监控矿井的生产状况；检测精度高，可实时精确掌握矿井的工作状态；体积小，便于安装和维护；功耗低，节约了大量的电能。系统符合矿山的安全监控要求，具有较好的推广价值。

参考文献

[1]魏宁,尹洪胜,刘秀荣,等.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统的设计[J].工矿自动化,2010(1):70-73.

[2]蒋恒深,张晓光,丁平,等.基于无线传感器网络的煤矿井下水泵监控网络结构研究[J].矿山机械,2010,38(5):61-62.

[3]刘红霞,张建锋.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯预警系统设计研究[J].煤炭技术,2010,29(4):33-34.

[4]孙振伟,王春艳.基于无线传感器网络的矿用瓦斯监控系统[J].仪器仪表用户,2010(2):17-19.

[5]边晶.基于无线传感器网络的煤矿安全监控系统的研究[J].制造业自动化,2010,32(9):39-41.

[6]黄军友.基于无线传感器网络的煤矿流量监测监控系统设计[J].煤矿机电,2009(1):17-19.

[7]景兴鹏,王伟峰,黑磊,等.无线传感器网络在煤矿安全智能监控系统中的应用[J].煤炭技术,2009,28(4):93-95.

[8]钟新跃,谢完成.无线传感器网络在煤矿环境监测中的应用[J].煤炭技术,2009,28(9)：102-103.

[9]李泉溪,孙君顶.基于无线传感器网络的煤矿报警系统节点的设计及实现[J].微计算机信息,2008,24(5):265-267.

(收稿日期2015-12-12)

杨济溶(1989—),女,助理工程师,037041 山西省大同市。