基于物联网矿井瓦斯动态监测与预警系统设计

晏 勇, 周相兵

(阿坝师范学院 a.物理与电子科学系； b.网络管理中心，四川 汶川 623002)



基于物联网矿井瓦斯动态监测与预警系统设计

晏 勇a, 周相兵b

(阿坝师范学院 a.物理与电子科学系； b.网络管理中心，四川 汶川 623002)

在矿井中布置瓦斯气体传感器与温湿度传感器感知环境状况，建立无线传感器网络，嵌入式网关实时处理数据，地面监控中心监测矿井瓦斯浓度并预警。规划设计了井下无线传感器网络，完成终端节点控制器CC2530软硬件设计，协调器CC2530组网与无线数据封装、解析算法设计，地面监控中心图形化界面设计。经测试，达到了矿井瓦斯浓度监控的各项指标、无漏报，系统工作稳定，精度高，保障了煤矿安全生产。

无线传感器网络； 瓦斯监测预警； 嵌入式网关； CC2530； 图形化界面

0 引 言

煤炭是支撑工业和国民经济发展的重要能源，我国已探明可开采的煤炭储量居世界第二，产量居世界第一，也是矿难频发的国家之一，百万吨煤死亡率较高，据统计2011-2013年我国煤矿发生安全生产事故遇难矿工分别为469、435、322人，煤炭行业安全生产事故逐年下降但总体形势不容乐观。目前煤矿安全生产主要威胁有瓦斯、透水、粉尘、火灾、顶板等事故，其中瓦斯事故占80%以上，是煤矿头号安全隐患，做好井下瓦斯监控与预警能有效降低矿难事故的发生。

据《煤矿安全规程》规定，凡有人作业的巷道及设备安装地点附近20 m内，瓦斯浓度不超过1%，瓦斯浓度超1%不能开启机电设备，人员迅速撤离，做好通风换气工作；采掘工作面温度不超过26 ℃，机电室温度不超过30 ℃，超过规定温度立即停工、撤离人员。

本文根据四川阿坝州矿井作业环境与条件，将智能化的物联网技术与矿井瓦斯监控与预警相结合，在井下建立瓦斯动态无线传感器网络实时检测矿井瓦斯含量，地面建立有线网络实时监控瓦斯含量并预警，有效提高了矿井瓦斯浓度监控能力，降低矿难发生概率。

1 系统方案设计

1.1 系统方案

系统由井下瓦斯检测与地面监控两个部分组成，井下瓦斯检测是系统的核心，由协调器节点建立无线传感器网络，终端节点组成物联网感知层，通过ZigBee无线通信技术实时采集井下瓦斯浓度、人员信息、温度信息并将采集数据传送地面监控中心，井下部分包括井下瓦斯检测、温度检测，人员定位[1]。物联网应用层由地面监控中心组成，分析感知层采集的各种检测与监控数据，实现煤矿事故预警功能[2]。网络层是井下感知层与地面的数据交换中心，采用有线传输技术提高采集数据传输精度[3]，实现井下与地面数据双向传输。井下电源使用矿用本质安全电源提高电源安全与稳定度，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

无线传感器网络有两种地址即终端节点控制器CC2530为全球唯一硬件64 bitsMAC物理地址，网络协调器分配的16 bits网络识别号PANID，将每一名矿工配置一个CC2530终端节点,通过硬件MAC地址识别矿工位置与身份。终端节点采集瓦斯信号与温湿度信号通过网络协调器、嵌入式网关上行至控制中心,当超过设定阀值立即报警，实现矿井实时监控与预警[4]。

1.2 网络拓扑结构

矿井网络无线通信采用全球统一标准的近距离、低速率双向无线通信技术ZigBee协议。ZigBee协议基于IEEE802.15.4协议[5]，工作在国际公共免费频段2.4 GHz，数据最高传送速率250 Kbps，最大可靠传输距离50 m。ZigBee网络设备分为全功能设备FFD与半功能设备RFD，FFD设备可以作为网络协调器负责网络建立、维护与管理，FFD设备可与FFD设备通信也可与RFD设备通信，RFD作为终端节点设备，只能与FFD设备通信，RFD设备间数据不能通信[6]。

煤矿井下自然环境恶劣情况复杂，井下终端节点多,移动性强,矿井掘进长度与深度不同,终端节点数量不断改变更新，数据静态路由与动态路由并存，要求无线传感器网络规模大、复杂条件下自适应与自愈性强[7-8]。根据矿井环境与井下瓦斯监测的要求，系统无线传感器网络采用簇状拓扑结构[9]。将矿井内的无线传感器感知节点以自组织的形式组成为若干簇，每个簇选出簇首，实时收集、处理、整合本簇内传感器采集的信息，簇以簇首为中心呈星形分布，每个簇首能检测50 m内的节点。在无线传感器网络中设置智能汇聚节点，接收簇首处理整合后的数据信息并传输至系统网关，由网关上传至地面监控中心发出安全预警信号，无线传感器网络拓扑结构见图2。

图2 无线传感器网络拓扑结构

2 硬件设计

2.1 终端传感器节点设计

终端控制器采用德州仪器TI公司无线射频器件CC2530，兼容ZigBee无线组网与数据传输协议，数据传输频率2.4 GHz，内置资源丰富包含增强型8051内核、8 Kbytes SRAM、256Kbytes Flash、1个16 b定时器、3个8 b定时器、1个12 b AD转换器、双串口、1个看门狗等，操作使用方便[10-11]。

矿井瓦斯浓度检测采用电调制非分光红外NDIR气体分析技术，当红外光穿过待测气体时，待测气体分子对特定波长的红外光具有一定吸收作用，并符合Lambert Beer吸收定律。终端节点瓦斯浓度检测传感器采用德国Smart Gas公司研发传感器SM-MAL[12]。SM-MAL瓦斯传感器采用双光束非分光红外线检测技术，具有Modbus ASCII协议全数字量输出精度高，抗其他气体干扰、保养维护简便使用寿命长、稳定性好、自带温度补偿等优点，适用矿井瓦斯检测等场合。SM-MAL采用三线SPI通信接口，SM-MAL传感器CS引脚、SCLK引脚、SDIO引脚分别于终端控制器CC2530相连即可实现瓦斯数据采集。

瓦斯浓度检测传感器SM-MAL，瓦斯浓度测试精度与作业面温度有很大关系，当作业面温度为17～21 ℃时，误差最小为0.05%，作业面温度为21～25 ℃误差较小为0.1%。数字温湿度传感器选用DHT11，采集温湿度信号全数字量输出，内部集成NTC原件与湿敏器件，14 B A/D转换器，输出数据自动校正，+(3～5)V电压供电，温度、湿度测试范围分别为0～90 ℃、20%～90%，精度分别为±1 ℃、±1%。DHT11采用标准4脚排针封装，DATA引脚与终端控制器CC2530I/O口连接，采用单线双向通信模式实现温湿度数据采集。终端节点硬件原理见图3。

图3 终端节点硬件原理图

2.2 协调器设计

协调器是无线传感器网络核心主要完成网络组网、维护、管理、数据传输、封装与协议解析，协调器接收终端控制器终端节点数据上传网关，接收网关控制信号下传终端控制器，负责数据链路维护。协调器硬件电路与终端终端控制器基本相同，采用TI公司CC2530作为核心器件，完成组网与数据通信[13]。

2.3 网关设计

无线传感器网络网关是井下数据与地面数据传输与交换中心，终端节点采集感知数据通过网关上行至地面控制中心，控制数据通过网关下行终端节点。系统网关采用意法半导体公司基ARM Cortex-M3内核的32位增强型嵌入式系统处理器STM32F103ZET6，最高时钟频率72 MHz，512 KB Flash、64 KB SRAM，工作电源电压+(2.0～3.6)V，最大工作电流36 mA。协调器CC2530与网关嵌入式系统STM32接口简单，采用串口通信实现数据上行与下行。

3 软件设计

3.1 终端节点控制器软件设计

Z-Stack协议栈是德州仪器TI公司在国际互连OSI七层模型基础上，开发的基于IEEE802.15.4无线数传输规范，协议规定了无线传感器网络软件与硬件协同与调度，数据传输帧结构[14]。Z-Stack协议栈包含数据链路层、网络层、应用层、安全服务层，终端控制器CC2530按Z-Stack协议栈数据帧结构封装发送感知节点实时采集数据，协调器接收终端数据并解析，上传至系统网关，由系统网关处理后发送控制命令，由协调器封装下行至终端节点[15]。

3.2 协调器软件设计

无线传感器网络中协调器负责无线传感器网络组建、管理、维护，允许其他节点加入与退出网络。协调器上电后进行软硬件与网络初始化，判断是否存在网络，存在终端节点可以直接加入网络，不存在网络由协调器组建新网络，通过信道能量扫面检测当前空闲信道，判断信道冲突与干扰，将当前空闲行到作为网络通信信道。协调器建立网络后为网络分配一个16 b网络地址并允许其他节点加入网络，协调器默认网络地址0X0000。网络建立成功后执行任务轮询操作，调用事务处理函数[16]，协调器组网流程如图4。

图4 协调器组网流程图

无线传感器网络中协调器负责数据封装与解析，发送方数据帧从高层到低层依次通过Z-Stack协议栈，通过协调器封装与解析。Z-Stack协议栈运行采用时间片轮询OSAL调度机制，包括系统启动、软硬件初始化、建立任务链表、比较任务优先级、调用任务处理函数，完成轮询任务的处理[17-18]，OSAL轮询调度流程如图5。

图5 OSAL轮询调度流程图

绑定指在无线传感器网络中，协调器与终端节点传输数据流向的监控体系，协调器与终端节点建立数据通信前首先应完成设备绑定。绑定分为两种形式，一种已知目的地址绑定与未知目的地址绑定，矿井瓦斯检测利用终端节点MAC地址，采用已知目的地址方式建立绑定。首先协调器接收终端设备绑定请求，协调器查询终端设备是否解除上次绑定，终端设备应答上次绑定已解除，再次发送绑定请求，协调器响应绑定请求，建立绑定链表完成绑定[19]，其绑定流程见图6。

4 测试结果

测试分为两个部分，传感器精度测试与无线传感器网络数据无线通信性能测试。将一个终端节点瓦斯传感器与温度传感器同时放入温度为23 ℃恒温槽中并通入浓度为0%～1.5%的瓦斯气体，利用Smart gas公司USB Modbus Smart Application-kit软件通过PC机现场实时测试瓦斯气体浓度，并通过EXCEL输出，测试结果见表1。

图6 协调器绑定流程图

表1 本地瓦斯气体浓度(23 ℃恒温)

地面监控上位机采用LAB VIEW8.6图形化语言设计，主要完成井下节点参数实时记录与查询，井下人员定位。将5个不同簇的终端节点放入瓦斯浓度为0.5%恒温气体槽，通过终端控制器、簇头、协调器、网关、计算机硬件数据采集卡[20]，地面控制中心实时显示瓦斯浓度如表2。

表2 地面控制中心实时显示瓦斯浓度(瓦斯浓度恒定0.5%)

经过反复多次实验测试结果表明，温度为23 ℃瓦斯传感器本地平均误差为0.008%，远程测试瓦斯浓度平均误差为0.012%，温度平均误差为0.8 ℃，瓦斯浓度为1.2%超标报警1次，完全符合矿井操作技术指标与规范。

5 结 语

物联网矿井瓦斯动态监测与预警系统，将物联网技术、无线传感器网络技术运用于煤矿瓦斯检测，提高煤矿安全技术等级，降低煤矿瓦斯爆炸事故的发生， 已运用于当地煤矿，实用价值极高。

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Dynamic Monitoring and Early Warning System of Mine Gas Based on the Internet of Things

YANYonga,ZHOUXiang-bingb

(a. The Department of Physical and Electronic Science; b. The Department of Network Management Center,Aba Teachers University, Wenchuan 623002, China)

Methane gas sensor arrangement with temperature and humidity sensors are assigned to perceive environmental conditions in the mine. The establishment of coordinators, wireless sensor networks are designed, and embedded gateway is designed to process data. The ground control center can real-timely monitor coal mine gas concentration and warn if it is out of order. The paper designs underground wireless sensor network system, completes software and hardware design for the terminal node controller CC2530, and also completes the CC2530 coordinator networking, wireless data encapsulation. and algorithm design. The graphical interface of ground control center is also designed. By testing, the indicators reache mine gas concentration monitoring, no omission, the system is stable, high precision, protect the coal mine production safety.

WSN; gas monitoring and early warning; embedded gateway; CC2530; graphical interface

2015-05-26

2014年四川省应用基础项目(2014JY0005);2014年四川省科技厅项目(2014GZ0013)

晏 勇(1983-),男，四川郫县人,硕士，讲师，主要研究方向自动控制,无线传感器网络。

Tel.：18942827691;E-mail:yanyong12_@163.com

TP 273

A

1006-7167(2016)01-0093-04