基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统

陈代伟，王 雷，孟凡猛，钱正峰

(1.镇江中煤电子有限公司，江苏 镇江 212016；2.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213000)

0 引 言

煤炭行业在我国具有非常重要的地位。近年来，随着我国工业水平的进步，煤炭需求量不断增加，使得煤矿事故出现的概率增大，特别是瓦斯爆炸，已经严重威胁工作人员的生命安全。过去采用的监测系统，通常是使用有线技术对煤矿信息进行传送。传送期间要利用A/D转换器，监测过程中需要经过很多环节，且很难确保监测的准确性，大大增加了煤矿开采的成本。采用无线网络技术监控瓦斯，能够加强瓦斯监测的准确度，减少监测成本，提高煤矿开采的效率。

1 无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统的介绍

1.1 监测系统的组成

传感器、分站和执行器是监控系统的重要组成部分。传感器能够对数据进行测量；分站采集和转换数据，然后通过光纤以太环网传输到地面中心站；执行器通过分站收集到的数据和地面中心站下发的命令，控制井下设备[1]。

1.2 监测系统的优点

过去采用的煤矿瓦斯监测系统属于有线模式，在收集和传输数据时，要在煤矿上安装数据传输线路。但是，煤矿井下本身的空间十分狭小，如果安装线路会进一步缩小空间，影响煤炭开采工具的运用[2]。此外，需要经常改变煤矿井下的结构，极有可能造成一些线路的破坏，从而影响整个线路的监控工作。同有线检测系统相比，无线监测系统的优势主要有：第一，无线监测系统的传感器不大，能够更好地应用于大型煤矿设备；第二，传感器网络节点分布在整个煤矿中，可以采取高密度监测，加强煤矿监测的精准性，从而加强煤矿开采和生产的安全性；第三，无线监控网络的智能化，能够使监测数据合理处理和储存，并且能够根据环境的实际情况采取调整；第四，无线监控系统的能量主要来源于电池，能够防止因为断电造成监测系统不能正常工作的情况，从而提高监测系统的工作效率。

2 无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统使用的意义

煤炭作为我国能源的主要构成部分，其开采力度极为关键，开采期间也极有可能出现安全问题。瓦斯爆炸是发生概率最高的事故。若想降低瓦斯爆炸出现的概率，降低其造成危害，相关工作者必须制定出有效的措施。

无线传感器网络煤矿瓦斯检测系统的运用，一定程度上加强了煤矿生产的安全性，有效减少了瓦斯爆炸出现的概率。监测系统所需部件的价格比较合适，且质量很好，能够有效运用到煤矿生产工作中，从而提高煤矿生产的工作效率和安全性。因此，在今后的工作中，工作人员一定要重视对无线传感器网络煤矿瓦斯检测系统的运用和研究[3]。

3 系统实施方案

想要对瓦斯气体浓度采取有效监测，在开采期间避免瓦斯爆炸情况的发生，需要将无线传感器网络融入煤矿瓦斯浓度监测系统，并设立两种节点：一是固定分布在矿井里的节点，主要采集矿井里瓦斯气体浓度数据，然后将其传输给监控中心，并在瓦斯浓度过高时，能够第一时间报警；二是矿工所佩带的移动节点，能够随时监测瓦斯浓度，从而有效防止瓦斯爆炸事件的发生[4]。

3.1 传感器节点硬件设计

瓦斯传感器、微控制器、电源模块、无线通信模块以及电池供电等，是瓦斯浓度监测无线传感器网络节点的重要组成部分。

3.1.1 瓦斯传感器

在收集瓦斯气体浓度数据时，会使用到瓦斯传感器。在矿井里使用红外瓦斯传感器检测瓦斯浓度，再使用电压信号代表浓度数据，对标准电压采取分差计算后，把全部获得的电压差传输到控制部分。

CH217芯片能够在瓦斯浓度过量的情况下立刻报警，然后把数据传输进微控制器。此芯片具有两个报警通道，能够发送预报和危险两项报警信号。

3.1.2 微控制器

单片机和周围电路是微控制器的主要组成部分。单片机从串行通信口接收程序，然后处理瓦斯传感器和无线收发的数据，同时掌控无线接收。通常，人们青睐于使用ATmegal128L单片机。和过去采用的处理器相比，它能够很大程度地减少对PC机结构上的依赖，有效加强监测系统的运行能力。同时，卫星处理器能够加强监测水平，降低能量消耗，对提高生产效率和安全性具有良好效果。微处理器具有的闪存程序和其他程序能够有效融合，因此生产价格适中，有效降低了监测系统的生产成本。

3.1.3 电源模块

系统要有效运行，离不开本安电源。因此，在无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统运行过程中，电源模块的主要作用是给系统的所有节点传送电能，通过在监测系统中对节点能量消耗的实际情况来看，最好选用PAM2400稳压芯片。系统运行期间，系统电压保持在3～3.3 V。此芯片能够在很多环境条件下运行，不会耗费太多能源，能够有效降低监测系统的能耗。

3.1.4 无线通信模块

此模块的主要作用是接收和互换各个节点的数据，但是要耗费很多能量。根据这种情况，可以选用nRF2401的单射频收发芯片，在2.4～2.5 GHz ISM的频段运行。此外，它还有频率合成器、功率放大器等模块，输出功率能够利用相应的程序来搭配，不会耗费太多能量。

3.1.5 电池供电

当传感器的本安供电被断开后，传感器就依靠自身的锂电池供电。锂电池采用5 V、5 Ah的规格，持续工作可达48 h以上。

3.2 传感器节点的软件设计

3.2.1 节点的通信设计

传感器的作用是收集井下的瓦斯浓度，然后把数据传输到井下分站，再把井下分站获取的数据传入井上主站。此外，它能够传输调度信号。

节点要先进行初始化才进入采集数据周期。一个周期结束后，它能够对系统传送数据请求，在获得回应的情况下传输数据，完成后再返回。

3.2.2 监控设计软件

监控软件是在Netbean中的Java语言下设计的，包含对数据、图像、传感器报警值等方面的设置，且要和局域网衔接，能够达到数据共享的目标。

3.2.3 ZigBee路由协议

在无线传感器网络的煤矿安全综合监控系统设计过程中，通常采用按需距离矢量路由。它只保持需要的路由。节点只需要对下一跳进行记录，不需要像源节点路由对整体进行记录。它可以对网络的所有移动节点动态地创建逐跳路由。

如果目的节点获取到了相关数据，那么源节点回复路由要顺着创建的反向路由往源节点输送。反之，要利用路由请求分组(RREQ)的信息更新路由表，在路由表里增设一个路由条目，然后利用附近的节点传播RREQ。如果节源点获取了RREP，就能够发送数据包转给目的节点。

3.2.4 两类节点通信

移动节点的作用是把收集的数据利用无线信道进行发送。固定节点的作用是能够建立无线网络，并对网络中的另一些节点属性进行设置，收集无线信道中的节点数据，然后传送到上位机。移动节点会按时往固定节点传输请求信号，如果收到信号，要对两模块进行衔接。此时，移动点会把收集的数据传输进固定节点。

3.2.5 节点软件工作流程

若要降低功耗，无线传感器节点最好使用唤醒和休眠的工作机制。如果没有事件出现，节点会保持休眠，处理器会停止运行，无线模块也会处于待接收状态。收到汇聚点时，节点会获取邻节点进行工作，等工作结束后，再次进行休眠[5]。

4 结 论

为了加强煤矿开采的安全性，防止瓦斯爆炸等安全事故的发生，本文提出了采用无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统。为了更好地运用此系统，需要合理设计其传感器节点的硬件和软件，使其充分体现基于无线传感器网络煤矿瓦斯监测系统的价值。