煤矿瓦斯监测报警系统的研究与设计

张 晶

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿安监站，山西大同 037000）

0 引言

煤矿瓦斯事故是影响煤炭生产安全的头号敌人。随着我国工业化生产不断进步，综采技术的不断发展，对煤矿生产安全的要求也不断提高[1-2]。煤矿井下工作环境复杂，潮湿、多尘且干扰较大。煤矿瓦斯事故是煤矿生产安全事故中破坏性最大且发生率较高的灾难性事故。因此，针对煤矿作业面上的精准瓦斯监测报警技术就变得尤为重要。根据《煤矿安全规程》规定，采掘工作面及其他作业地点风流中、电动机或者其开关安设置地点附近20 m以内风流中的甲烷浓度达到1.5%时，必须停止工作，切断电源，撤出人员，进行处理。煤矿瓦斯监测是煤炭安全生产的重要基础工作，目前，大多数煤矿配备瓦斯监测仪以及专门检测人员，防治瓦斯事故，但仍无法完成对煤矿全方位系统监测，保障安全生产环境[3-4]。因此，本文针对这一现状，设计了基于ZigBee无线传输网络与单片机技术的煤矿瓦斯监测与报警系统。对煤矿各位置的瓦斯浓度进行连续实时在线监测，并根据相关规定设定预警值，对危险情况及时识别与报警，为煤矿生产安全提供可靠保障。

1 监测系统总体设计

随着综采技术的不断发展，煤矿采掘深度不断加强，开采强度不断扩大。于此同时，开采区域瓦斯情况也越来越复杂。原有的一些技术手段利用单一传感器人工测量方式以及有线监测系统存在监测效果差、布线复杂、成本较高，灵活性差的缺陷已经不能满足生产需求。而ZigBee技术作为一项新型的无线通信技术，适用于传输范围短、数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间。相较于传统网络通信技术，ZigBee无线通信技术表现出更为高效、便捷的特征，近距离、低成本、低功耗的无线网络技术可以有效解决目前存在的不足[5-6]。因此，本文基于无线传输网络重新设计了煤矿瓦斯监测报警系统，系统分为井下现场应用层、远程监测层、网络传输层，包括对瓦斯浓度的采集、传输与监测报警三部分[7-8]。系统组成设备包括监测主站、监控分站即传感器节点、本安电源、监控主机等。矿用瓦斯传感器分别感知设备测点位置的CH4气体浓度信号经过放大调理模块处理，经由A/D接口传输给传感器节点单片机，分站单片机控制无线收发模块通过无线网络传输给无线传输基站（主站），由无线传输基站与监测主机之间实现通信，系统根据测试值分别判断环境状况正常与否，决定是否发出警报，并将监控结果直观地显示给工作人员。监测系统总体结构如图1所示。

图1 监测系统总体结构

1.1 系统硬件选型

监测系统的硬件包括单片机、无线收发模块、瓦斯传感器、电源模块、监控计算机等。单片机作为监测层核心，根据系统需要选择TI（德州仪器）公司生产的MSP430F149型超低功耗微处理器，它具有16位RISC CPU、16位寄存器、2个USART（通用同步/异步串行接收/发送器）、60 kB闪存、2 kB RAM、工作电压范围1.8～3.6 V、DCO（数控振荡器）可在6 μs内从待机模式唤醒，成本低，功耗小且功能强大；无线收发模块同样选择TI公司生产的CC2430芯片，它包含一个高性能2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一个8位的MCU(8051)控制器，满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用，以及系统开发低成本，低功耗的要求；瓦斯传感器选择山东中煤工矿集团生产的KGJ16B型瓦斯传感器检测矿井下空气中的瓦斯含量，该传感器为矿用隔爆兼本质安全型，具有多种标准信号制式输出，工作电压为DC 9～24 V，可满足井下供电安全要求，测量范围为0%～4%CH4、响应时间小于20 s、报警点在0.3%～4.00%CH4可任意设置、传感器联检后可与煤矿瓦斯安全监控系统配套使用。

1.2 监测模块设计

监测模块包括监测主站、监测从站、监控主机、无线网络、软件系统等。监测从站即传感器节点由传感器、微处理器、无线收发模块以及电源模块组成。传感器负责监测信息的接收与转换，微处理器处理器作为核心控制节点正常工作运行，无线收发模块则负责进行节点之间的信息传输，电源模块用来提供工作动力来源。传感器节点主要通过在测点位置布置的传感器感知工作面以及入回风区域的瓦斯浓度信号经信号调理转换后转化为标准数字信号由A/D转换口到传感器节点微处理器，而后通过无线收发模块传输给监测主站。各监测分站与监控主站通过ZigBee无线通信网络实现通讯。传感器模块根据《煤矿安全规程》相关规定，设置在便于人员观察检修支护良好的位置，垂直悬挂在不影响其他设备及人员正常工作的巷道回风流中。将监控主站ZigBee节点作为网关节点，负责控制其他子节点。传感器节点的CC2430无线收发模块在接收模式时从天线接收RF信号，经由低噪声放大器并变频为2 MHz中频信号，再经过滤波、放大与A/D转换转化为数字信号。在发射模式时，被调制的基带信息经过D/A转换器再由单边带调制器进行低通滤波变频为射频信号进行发送。当瓦斯浓度值超出设定阈值1%时，系统自动发出警告，执行声光报警；超过1.5%，发出自动断电指令。监测模块传感器节点结构如图2所示。

图2 监测模块传感器节点结构

2 网络通信

监控系统由3个层面组成，分别是现场应用监测层，网络传输层以及监测主站层。现场应用监测层传感器与微处理器通过A/D接口连接。CC2430使用FIFO、FIFOP、CCA和SFD四个引脚表示收发数据的状态，而微处理器与无线收发模块CC2430之间使用SPI（串行外设接口）连接交换数据。SPI是一种高速、全双工、同步通信的4线总线，只需占用芯片4个引脚，采用主从方式工作，简单易用。微处理器作为主设备通过SPI接口访问CC2430模块的寄存器以及存储器，CC2430作为从设备接收微处理器SCLK(时钟)与CS(片选)信号并接收控制。各现场应用监测分站之间、监测分站与监测主站基于IEC802.15.4协议通过ZigBee无线通信网络实现通讯。监控主站与上位机监测层通过RS-485串行接口连接，实现两个层的信息交互。MSP430F149与CC2430连接接口如图3所示。

图3 MSP430F149与CC2430连接接口

图4 无线传感器网络工作流程图

3 软件设计

系统软件设计利用TinyOS微型操作系统，TinyOS是由加州大学伯克利分校开发的一种源代码开放的嵌入式操作系统，广泛用于无线传输网络软件开发。基于组件的模块化系统，设置基于ZiGBee节点的无线传感器网络时，选择监测主站作为基地控制台聚集处理监测信息，与之通信的其他节点作为监测节点负责传输采集信息。利用具有C语言风格的组件式结构程序语言nesC进行编程，TinyOS提供一系列的组件，应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来，实现所需要的功能，最后应用程序通过JTAG烧写入节点的微处理器，通电即可实现驱动。无线传感器网络软件工作流程如图4所示。为了验证系统的有效性，对系统进行工程测试。利用不同浓度标准CH4对传感器模块进行仿真测试，验证传感器模块采集功能以及无线传感器网络的传输效果以及系统监测功能。试验表明，系统可较好实现对瓦斯浓度数据的采集、无线传输以及监测报警功能。

4 结束语

本文针对煤矿生产所需设计了一种基于无线通信网络与单片机技术的煤矿瓦斯监测预警系统。根据实际需要完成了对系统总体设计、硬件的选型以及软件流程设计工作。采用较为先进的无线传感器网络传输，避免了有线传输的线路复杂、成本高等问题，测试表明该系统具有灵活性高、可靠性好，自动化程度高的特点，可实现对煤矿井下测点位置瓦斯浓度的在线实时监测，并可根据设定值进行危险报警，保障煤矿生产的安全经济运行，保护煤矿的财产安全与工人的生命健康。