工作面无线甲烷监测系统设计研究

叶锦娇

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 北京，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 北京100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心 北京 100013）

工作面无线甲烷监测系统设计研究

叶锦娇1，2，3

（1.煤炭科学技术研究院有限公司 北京，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 北京100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心 北京 100013）

本文针对工作面环境恶劣，甲烷监测系统线缆经常被砸断的问题，研究采用ZigBee无线技术和CAN总线通讯技术，设计了一套工作面无线甲烷监测系统。系统包括无线红外甲烷传感器、监控分站、无线网关和上位机软件。达到工作面和上隅角瓦斯的实时在线监测和分析，当瓦斯超限时，分站控制断电器对采区供电设备断电，实现瓦斯电闭锁的目的。

煤矿；上隅角；无线；甲烷；传感器；监测

由于煤矿生产条件十分复杂，井下环境恶劣，尤其是在综采工作面，狭窄的工作空间，布置大量的设备和线缆，瓦斯极易积聚在上隅角，从而引发瓦斯超限安全事故[1]。近年来，为预防煤矿瓦斯事故发生，国内许多科研单位研制了一系列煤矿瓦斯监控系统，对煤矿安全起到了较大作用。但这些系统大都采用有线的数据传输方式，传感器到分站采用频率或电流等模拟信号传输，这种方式大大限制了现场复杂条件的应用，且容易因电磁辐射等干扰造成数据错误[2]。虽然新的安全规程要求实现安全监控系统的全部数字化，但是在工作面频繁移动的情况下，极易把线缆扯断，甚至有的因岩爆把线缆砸断，造成监测中断。总之，有线监测方式在工作面等复杂恶劣条件下很难长期稳定可靠运行[3]。

文中在综合国内外监测技术基础上，提出基于无线传感器网络技术的面向综采工作面的矿井瓦斯监控系统。系统设计采用煤矿安全监控技术、本安防爆技术、ZigBee无线网络技术、CAN总线技术、嵌入式微计算机技术、电子技术等，实现整个工作面瓦斯情况的实时在线监测，在工作面尤其上隅角瓦斯浓度超限时，及时对工作面用电设备进行断电操作，同时发出声光报警。另外，采煤机司机通过无线终端设备也可实时了解工作面瓦斯浓度情况，以便及时采取相应措施，避免超限事故发生。

1 井下无线传感器网络技术

无线传感器网络技术是近些年发展起来的高新技术，目前已普遍应用于交通、市政、工业等领域，该技术应用符合 《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》的要求[4]。该技术是综合了数据采集、数据通讯、数据处理、低功耗等技术于一体的特定场合应用的一种智能信息网络技术，由大量的无线传感器节点分布在不同的空间而组成。其中，ZigBee就是在上述理论思想上发展起来的一种非常成功的网络技术[5]。该技术的优势是，应用现代电子科学技术可以把节点做到非常廉价便宜，从而大大扩展了该技术的应用范围。而且，其技术复杂性较低，功耗也小，使其在各个领域得到广泛的应用。

鉴于ZigBee技术的各种优势，十分适合用于组建煤矿井下无线传感器网络。本文在结合煤矿实际情况的基础上，设计了传统单跳网络和多跳网络相结合的分簇网络结构，满足井下复杂环境工作面和巷道等长距离多测点的应用情况[6]。设计煤矿无线传感器网络结构如图1所示，A到E各点为传感器网络节点，系统由网关完成网络的组建和管理。在组网成功后，各传感器节点按照定好的路由算法，自动寻找最优路径把自身数据通过单跳或多跳的方式传送给网关设备。如图中A点设备监测数据通过B点、C点、D点和E点路径最终到达网关，网关把数据整理打包发送给上级系统网络，并最终传送给上位机监控中心，从而完成一次数据传送任务[7]。

图1 煤矿井下无线传感器网络结构

2 无线传感器低功耗技术研究

无线传感器网络要能成功的应用，除了通讯可靠外，另一个需要解决的关键问题是节点要能长时间的工作。如果频繁的更换电池来维持网络的正常运行，大大增加了网络维护的工作量，是十分不科学的。因此，本文对网络各节点及整个网络的功耗进行分析，应用低功耗的设计技术，降低节点和整个网络的功耗，使网络以最少的能量损耗完成尽可能多的工作，从而达到最优的能量管理和控制，提高节点电池使用寿命[8]。

1）无线通讯方面

无线传感器网络能量损耗大部分都是在通讯阶段消耗的，其中能量消耗最大的是发送数据时期，休眠阶段的能量损耗最少，能量损耗居中的是在等待和数据接收的时期，比数据发送时刻能量消耗略少。因此，降低数据发送和接收的时间，提高收发数据效率，是降低网络能量损耗的关键。设计优化网络路由算法，降低组网和收发数据时间，在通讯一次完成后，使节点进入休眠，从而大大降低了节点能量消耗，显著提高节点工作时间[9]。

2）硬件设计方面

节点硬件低功耗设计包括探头、处理器、电源和显示等硬件设备。尽量在满足功能和精度的情况下选择电量小的探头元件，并设计测量电路和元件的供电电源管理；选择工作电压低、功耗低且支持睡眠模式的处理器；显示上尽量选取小尺寸液晶屏；设计各功能模块的电源管理，在不需要某模块功能时及时关闭该部分电源；在其他元件选择及电路板设计上也要遵循低功耗的设计[10]。

3）软件设计方面

事件处理尽量采用中断处理方式，采用查表法进行数值分析，降低处理器的工作时间；在空闲时，系统控制处理器进入休眠状态；优化代码结构，提高代码的执行效率；优化无线路由算法，提高通讯效率。

3 系统设计

设计系统包括无线甲烷传感器、无线中继、无线网关、监控分站、开停传感器、断电控制器、隔爆兼本安型电源箱和上位机监控软件等[11]。系统实现工作面全方位甲烷浓度的实时在线监测 （尤其是瓦斯特别容易积聚的上隅角位置），避免了监测的盲区。当系统发现存在瓦斯浓度逐步上升的趋势，且到达一定的数值时，即提醒现场工作人员，并在上位机发出警告，以便现场和安全管理人员采取相应的安全措施。另外，当系统发现有瓦斯超限发生时，及时采取工作面用电设备断电的安全措施，以免安全事故的发生。监控系统结构示意图如图2所示。

当各设备上电后，无线网关控制各传感器节点完成组网工作 （如有的地方节点距离太远无法形成网络，可以增加无线中继设备），各节点即启动数据发送任务。子节点根据路由算法确定的路径向父节点逐级发送数据，各节点传感器发送自身数据的同时，也担当着其它节点数据的中继工作，当各组成节点的数据发送到无线网关，本次数据发送任务即宣告完成，各节点即进入休眠状态。无线网关把各节点的数据进行打包处理，然后通过CAN总线的方式发送到监控分站，分站对各节点的数据进行解析，判断各节点的甲烷浓度是否超限，如达到超限数值，即控制断电器对局部或整个工作面的用电设备断电，并实时检测设备开停传感器，判断断电是否正常。当甲烷浓度都恢复正常时，监控分站也会自动控制断电器复电，实现整个系统监测控制的自动化。

监控分站具备本地存储功能，在上位机通讯中断5分钟后，当甲烷数据不变的情况下每隔5分钟固定保存一次甲烷数值，如果数据发生变化则进行自动保存，并且保存采煤机断电和开停状态。监控分站保存的历史数据，在上位机通讯恢复正常后，自动上传到上位机监控软件，实现监测的连续性。

图2 监控系统结构示意图

4 红外甲烷传感器设计

研发的红外甲烷传感器用于煤矿井下场所环境甲烷浓度的连续监测，具备液晶显示、红外遥控、声光报警、无线通讯等功能[12]。该仪器设计采用红外元件作为检测甲烷含量的敏感元件，红外元件随着被测气体中甲烷浓度的变化，其对应的红外特性吸收波长吸收率也成规律变化，即实现了甲烷浓度的准确测量[13]。

仪器设计由单片机作为控制核心，控制采集电路实现信号A/D转换，并把检测结果通过计算得出相对应的甲烷浓度值。另外，单片机控制实现数据显示和超限报警功能，并将检测数据转换为无线信号发送给上级管理单元，再逐级上传到上位机管理软件。红外遥控功能用于实现传感器报警值的设定和传感器标定等。传感器的整机电路框图如图3所示。

5 无线网关设计

无线网关是系统组网的核心设备，实现网络管理和数据收发的功能。网关通过ZigBee无线通讯技术与传感器进行数据通讯，与监控分站采用CAN总线方式进行数据通讯。网关设计有液晶显示屏实时显示各节点传感器网络情况和节点传感器上传的数据。网关供电采用与监控分站配接的隔爆兼本安型电源箱[14]。

图3 传感器整机电路框图

网关无线管理模块采用ATMega1281和ATRF230芯片设计，管理控制单元采用STM32F107芯片，网关工作原理框图如图4所示。ATmega1281与AT86RF230之间通过SPI接口以及其他四条控制线进行通信与控制操作。STM32与Atmega1281通过RS232串口通信，STM32将获取的无线传感器网络的数据按照CAN总线帧的格式进行打包，然后通过CAN总线接口将数据发送给监控分站[15]。

图4 网关工作原理图

基于无线传感器网络的网络设备存在两大特性：数据并发传输性强、数据量大，同时存在多个需要完成的逻辑命令，要求系统能够快速高效完成上述任务。本文采用uCOS嵌入式操作系统，系统包括轻线程、主动消息发送、事件驱动机制、组件化程序设计。uCOS的并行处理能力在任务执行和中断事件处理中得到体现。系统添加一个FIFO队列到任务中，任务执行中相互之间不产生竞争；中断程序具有较高优先级。设计uCOS通过二级调度机制完成网络节点运行。

6 结 论

文中设计的工作面无线甲烷监测系统，实现工作面瓦斯实时在线监测的无线化传输，并且实现了上隅角瓦斯的监测，避免了监测盲区。工作面空间狭小、环境恶略，无线监测便于现场设备安装和维护，提高了系统工作的可靠性和稳定性。系统应用在司马煤业有限公司综采工作面，取得了很好的效果。

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Design of wireless methane monitoring system in working face

YE Jin-jiao1，2，3
（1.China Coal Research Institute， Beijing 100013，China； 2.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization，Beijing，100013， China； 3.Research Center of Mine Safety Engineering and Technology， beijing 100013，China）

In the light of the working surface environment is poor，methane monitoring system cable often smashed problem.This paper studies the use of ZigBee wireless technology and CAN bus communication technology，and a set of working face wireless methane monitoring system is designed.The system includes a wireless infrared methane sensor， monitoring station， wireless gateway and PC software.It realizes the real-time online monitoring and analysis of the working surface and the upper corner gas.When the gas is out of limit，substation control cut the supply equipment power.Function of realizing gas electric locking.

coal mine；the upper corner； wireless； methane；sensor； monitor

TN92

A

1674－6236（2017）12-0065-03

2016-08-26稿件编号：201608203

煤炭科学技术研究院技术创新基金（2014CX25）

叶锦娇（1979—），女，广东惠州人，硕士研究生，副研究员。研究方向：煤矿井下传感器的开发与研究。