基于嵌入式技术的矿井安全监控平台构建

陈彩华

(湖南广播电视大学,湖南 长沙，410004)

煤炭是我国经济发展的主要能源，约占全部能源的70%，随着经济的迅速发展，对煤炭能源的需求也不断增加，开采的速度也不断加快。由于我国的煤矿地形复杂，加上生产力水平整体较低，基础设施比较薄弱，矿难事故时有发生，而瓦斯作为煤矿事故的罪魁祸首，占了煤矿重特大事故灾害的70%～80%，此类事故一旦发生，不但给矿井局部带来毁灭性损失，影响煤炭生产的正常进行，更给企业员工、矿工及其家属带来难以估量的经济损失和心理伤害[1]。

目前，国内超过三分之二的煤矿都安装了矿井安全监控系统，这些系统基本采用工业以太网为通信主干网，井下采用CAN总线，虽然系统的通信速率、可靠性、抗干扰能力大为提高，但普遍存在通信协议不规范、设备不兼容等问题[2]，而且监控矿井生产状态的传感器大部分采用有线方式布设，存在使用成本高、移动性差、覆盖范围有限等缺点[3]。针对以上情况，将飞速发展的嵌入式技术、无线传感器网络技术引入矿井监控，设计一款新型的矿井安全监控系统，用ARM9微处理器和嵌入式操作系统重构井下监控分站，用ZigBee无线传感器网络取代有线网络实现井下监测数据的传输，能有效增加矿井事故的预见性与前瞻性。

1 矿井安全监控平台整体构成

整个矿井安全监控平台分为井上监控中心、井下监控分站两部分。井上监控中心由CAN转以太网模块、中心服务器、工控计算机三部分组成；井下监控分站是整个系统的核心，由井下数据采集终端节点、ZigBee无线通信模块两部分组成，系统结构如图1所示。

图1 矿井安全监控平台整体结构Fig.1 Overall structure of mine safety monitoring platform

数据采集终端节点将采集到的矿井瓦斯浓度、矿井环境温度、风速以及井下工作人员位置等信息通过底层网络就近传送到以太网；中间层网络负责数据传输，将数据终端节点采集的环境参数经CAN总线转以太网传输到上位机；顶层网络则负责分析与处理采集的数据，主要由上位机网络组成。

2 矿井安全监控平台硬件设计

2.1 通信分站硬件设计

井下通信分站负责将井下的环境参数传输到地面的监控中心，同时将地面监控中心的控制指令传输给井下的现场控制设备，因此必须具备处理不同网络协议的能力，系统选用具有内嵌操作系统和网络协议栈的32位ARM微处理器S3C2410X作为系统主控制器，其硬件结构如图2所示。

图2 井下通信分站硬件结构Fig.2 Hardware structure of underground communication substation

S3C2410X微处理器使用ARM920T核，工作频率为203MHz，带MMU先进体系结构，支持Linux、Wince，Epoc32等嵌入式操作系统，集成了外部存储控制器、LCD控制器、PS2接口，4通道的UART、2个USB主机接口、117个通用I/O、24个外部中断、芯片内置PLL[4]。

为了提高通信分站的通信速率，系统还扩充了100Mbps以太网接口，选用DM9000控制芯片作为以太网的物理层接口。为了使系统能接收分布在矿井现场的各类传感器信号，通过外接高性能A/D转换芯片，扩充了外围的AI、DI/O输入输出接口，同时将S3C2410X自带的UART控制器与MAX232芯片连接，转换电平后得到RS-232串行接口，使UART串行通信接口能连接具备RS232、RS485等串行通信能力的各类现场传感器[5]。

2.2 终端数据采集节点硬件设计

图3 终端数据采集节点结构Fig.3 Structure of terminal data acquisition node

要实现矿井的安全监控功能，需要实时采集矿井中的甲烷、CO、氧气等气体含量，矿井的温度、湿度参数、矿井工作人员的位置等信息。本系统采用具备收、发数据功能的ZigBee模块构成矿井终端数据采集结点，既保证了整个网络的稳定性，又实现了功能的多样化，数据采集节点的结构如图3所示。

采集结点的控制芯片采用CC2530，CC2530芯片基于2.4GHz IEEE802.15.4和ZigBee协议，能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能，具有不同的运行模式，能满足超低功耗要求的系统，同时运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗[6]。

ME3-O2、ME3-CO属于电化学传感器，具有功耗低、灵敏度高、抗干扰能力强等特点，所以本系统选用ME3-O2氧气传感器检测矿井的氧气浓度，ME3-CO一氧化碳传感器检测矿井的一氧化碳浓度。系统的瓦斯浓度传感器选用MJC4/3.0L载体催化元件[7]，该传感器工作稳定、可靠、响应速度快，具有良好的重复性、选择性。矿井温湿度传感器选用GWSD100/100复合型传感器，该传感器采用本安电路设计，能对温湿度进行连续检测，具有测量范围宽、兼容性好、检测灵敏度高、稳定性好等优点。

系统通过井下的终端数据采集结点采集井下工作人员随身携带的终端设备发出的信号强度来确定人员的位置。当终端设备的ZigBee标签经过ZigBee节点范围时，会发送射频信号到ZigBee的定位网络，根据接收到射频信号的强度来计算参考节点与被测节点之间的长度[8-9]。

3 矿井安全监控平台软件设计

本系统选用开源、功能可裁减的Linux操作系统来构建井下通信分站的软件平台，在此平台上实现井上、井下的通信功能，不仅可以读取矿井现场的各种传感器数据，同时还可以实现自动预警、报警功能。

3.1 ZigBee无线网络创建流程

ZigBee无线网络由井下大量的ZigBee节点通过复杂的网络链路连接形成，由ZigBee网络协调器统一管理，ZigBee协调器创建网络的流程如图4所示。

图4 ZigBee协调器创建网络流程Fig.4 Process of the ZigBee coordinator creates the network

井下的ZigBee终端节点初始化后，先检测是否存在ZigBee协调器发送的网络信标，存在网络信标则比较网络信标中的PAN(Personal Area Network)是否与自身绑定的PAN相同，相同则允许加入网络，否则拒绝加入网络。

3.2 终端结点数据采集流程

为了降低井下终端数据采集结点的电量耗损，终端节点在加入ZigBee无线网络后是处于休眠状态的，数据采集次数以及定时时间由软件设置，终端节点的数据采集流程如图5所示。

图5 终端结点数据采集流程Fig.5 Flow of the terminal node data acquisition

CC2530芯片自带ADC转换器，能将采集到的模拟信号经放大处理后转换成数字信号，微处理芯片根据所获得的数字信号和预设的临界值进行比较，可判断井下的环境是否安全，如果检测到安全隐患会发出报警信号，同时将数据通过无线网络传输到通信分站。数据传输结束后，终端节点重新进行休眠状态。

4 实验结论

图6 系统无线网络传输性能对比Fig.6 Transmission performance comparison of system wireless network

为了验证矿井安全监控平台的可靠性，对井上控制中心、井下通信分站、ZigBee终端数据采集结点进行了仿真测试。井下的终端数据采集节点将采集的环境参数通过ZigBee无线网络传输给井下的通信分站，CAN总线一端连井下的通信分站，一端与CAN转以太网模块连接，井上监控中心通过以太网和服务器相连。实验构建了一个最小测试系统，主要对ZigBee无线网络的实时传输性能进行测试与分析，通过改变终端数据采集节点的数量和传输距离来验证ZigBee无线网络传输的可靠性。实验中传输数据帧的速率设置为200帧/s，在井下通信分站测试统计各采集节点发送的数据帧的传输时间，实验测试的ZigBee无线网络传输性能如图6所示。通信分站接收数据的时间随着加入网络的采集节点量的增加而增加，传输时间随着传输距离的增加而增加，系统的传输时间整体维持在毫秒级，能较好的满足系统的实时性传输要求。从通信分站接收到的数据来看，系统能满足数据的可靠性传输要求。因此，本系统能准确、及时了解井下的环境数据，完成井下、井上的信息交互，基本能达到矿井监控的功能要求。

5 结束语

系统以ARM S3C2410X为硬件基础，应用ZigBee无线传感器技术，构建了一个功能完善的矿井安全监控系统。和现有的大部分有线矿井监控系统相比，即节约了成本，又提高了移动性与覆盖范围。无线通信系统能在环境恶劣、不易布线的井下快速搭建一个可靠的无线通信网络，实现对矿井环境的实时监控，有效解决了有线网络移动性不佳和成本过高的问题。本系统已经通过前期测试，一旦投入实际应用，将会给矿井安全监控带来更加广阔的前景。

[1]赵丹，陈帅，潘竞涛.矿井监控预警诊断系统研究[J].中国安全科学学报，2015，4(25)：63-69.

[2]周邦全．煤矿安全监控系统的发展历程和趋势[J]．矿业安全与环保，2007，34(S1)：76-77，113.

[3]马恒，张帅，洪林．基于Wi-Fi技术的矿用无线瓦斯传感器的研究与设计[J]．安全与环境学报，2012，12(04)：225-228.

[4]陈彩华，梅大成，刘彬.基于ARM-Linux的矿井安全监控系统设计与实现[J].西华大学学报(自然科学版)，2011，30(01)：69-71.

[5]王文庆，景明智，亢红波.矿井监控系统串网接口转换器设计[J].西安邮电大学学报，2014，4(19)：57-62，69.

[6]郭涛，杨晓洁，贾晓寒.振动发电式矿用无线温度传感节点设计[J].煤炭工程，2017，10(49)：59-62.

[7]黄书卫.基于物联网技术的煤矿通风智能监控系统[J].中国科技信息，2015，(05)：99-100.

[9]Stephen Kershaw，Richard Hughes-Jones.A study of constant bit-rate data transfer over TCP/IP[J].Future Generation Computer Systems，2010，26(01)：128-134.