4G无线智能终端在地面瓦斯抽采监测的应用

路 萍

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

煤矿地面井瓦斯抽采管网铺设于野外空旷处，地理位置偏僻，距离煤矿安全监控中心距离远，管线布线范围广，进行分布式系统监测实现了煤矿地面井瓦斯抽采系统的集中管控。地面井监测点应用风光互补供电及无线传输技术，避免了远距离铺设电源线及信号线线缆，节能环保，系统容量扩充简单方便，节省安装和维护成本[1-3]。在工业监控领域，无线数据传输设备一般基于GPRS，ZigBee，WiFi，蓝牙，LoRa，NB-IoT 等无线网络进行远程数据传输。ZigBee，WiFi 及蓝牙等属于短距离通信技术，短距离通信技术功耗、成本均相对比较低，网络铺设简单，便于操作。基于GPRS，LoRa 和NB-IoT 等无线技术的数据传输网络，传输距离远、可靠安全、覆盖面广、成本低，一般是满足低速率数据通信的应用，不适合传输视频数据。本文基于4G 无线联网，适用于高速率的视频数据传输，国家现阶段鼓励深化4G网络覆盖，4G 技术发展多年比较成熟，组网便捷，安全性和可靠性高[4-6]。本文利用4G 无线智能终端应用于地面井瓦斯抽采系统中，实现管道参数监测和防入侵环境安全监测，通过远程数据交互，采集报警信号与实时视频实现联动功能，有利于节省4G流量，节省视频数据存储空间。

1 煤矿地面井瓦斯抽采监测系统

地面钻井抽采瓦斯是在不影响工作面回采的情况下进行的，是瓦斯抽采方法的一种新途径，为矿井井下通风与抽采减轻了负担，消除了安全生产隐患，同时也提高了矿井生产能力[7-9]。

地面井瓦斯抽采监测系统设备供电由风光互补供电系统提供，风光蓄电互补供电装置整体结构成熟，应用范围广。分布式地面抽采监测系统一方面实现瓦斯抽采管道参数采集和传输，另一方面实现现场环境安全防入侵监测。地面井瓦斯抽采监测系统如图1 所示。

图1 地面井瓦斯抽采监测系统Fig.1 Gas drainage monitoring system for surface wells

风光互补自供电系统包括控制器、风力发电机、太阳能电池板和蓄电池等组成。太阳能板和风力发电机产生电能一方面供给负载，另一方面对蓄电池充电，蓄电池充满电后，控制器断开太阳能和风机，控制蓄电池不被过充。当太阳能和风机的电不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能供给负载。风光互补自供电系统整体效率高，抗压能力和稳定性高，可以为现场设备提供稳定可靠的电源。

管道监控设备包含有瓦斯浓度传感器、管道流量传感器、本安液晶显示屏等设备，实现瓦斯抽采计量中管道流量、管道浓度、管道压力、管道温度等数据的实时采集和传输，实时瓦斯抽采管道的安全性监测。

地面井瓦斯抽采管道架设于野外空旷处，地面井抽出的瓦斯浓度通常是高浓度瓦斯，为保障系统安全，管道周边禁止烟火和非工作人员靠近。为方便监测现场环境、避免事故，安装了防入侵监测设备，包括红外微波探测器、门禁开关、报警主机和摄像仪。

红外微波探测器和门禁开关输出信号给报警主机。无线传输智能终端与报警主机、管道监控设备和风光互补自供电系统的控制器实现RS485 通讯，最后无线智能终端完成采集数据的实时无线远程传输。无线传输智能终端与摄像仪之间通过以太网网口通讯，实现视频图像的无线传输。

2 无线智能终端远程连接

随着各种智能设备功能的提升，监控系统智能化要求越来越高，移动数据流量呈现爆炸式增长，这对传输数据速率也提出了更高的要求。4G 无线通讯技术在电子消费类领域、安防领域及一般工业过程控制领域已经比较成熟。无线传输智能终端种类繁多，本文选用的4G 无线传输智能终端不仅需要实现采集数据传输功能，同时还要实现实时视频传输。经过市场调研，本文选用深圳宏电公司开发的一款H8504V20 无线智能终端进行无线传输。

H8504V20 无线智能终端具有高稳定性、高可靠性、低成本、无线通讯等核心优势，基于4G 无线联网，支持高清IPC 行业监控、有线无线网络备份，组网便捷，适用于分布式的行业应用。H8504V20 无线智能终端采用高性能的工业级32 位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，利用TD-LTE 或FDD-LTE 的4G 网络实现无线长距离数据传输，与远程公网服务器进行数据交互。

本文应用无线智能终端，一方面实现DTU 功能，采用全网通进行数据透传，支持TCP 和UDP 两种报文格式，多SOCKET 接口。远程接收软件与无线传输终端建立连接，接收地面井设备采集的管道数据和探测及门禁报警信号，通过写入中心站SQLserver 数据库，与煤矿中心站建立联系，将矿井地面井瓦斯抽采现场数据和井下监控系统数据实时结合在一起，形成有线与无线相结合的瓦斯抽采监控系统，实现矿井瓦斯抽采的安全、有效监控。无线智能终端另一方面通过网口与网络摄像仪进行连接，采集视频信号后，通过4G 远程传输到视频服务器，视频客户端软件通过视频服务器获取到地面井网络摄像仪视频图像。无线智能终端远程连接如图2 所示。

图2 无线智能终端远程连接Fig.2 Remote connection of wireless intelligent terminal

3 系统应用

煤矿一般建有地面永久抽采系统和井下临时抽采系统，为减轻矿井井下通风与抽采负担，消除安全生产隐患，提高矿井生产能力，很多煤矿也会建立多个地面钻井抽采点。本文针对地面井瓦斯抽采监测系统，应用风光互补供电和4G 无线智能终端远程传输，实现地面井抽采数据的集中监控，现场试验设备安装如图3 所示。

图3 抽采监测点现场Fig.3 Site map of monitoring points for pumping

监控箱放置于监测平台上，监控箱中包含蓄电池、风光互补控制器、浇封兼本安直流电源、PH24（E）本安型液晶显示器、门禁开关和4G 无线智能终端等设备。抽放管道中安装有瓦斯浓度传感器和流量传感器。平台立柱上安装了红外微波探测器，在高处太阳能支架背面安装了网络摄像仪。

地面抽采监测点设备完成现场抽采管道瓦斯浓度、管道流量、管道压力、管道温度等管道参数采集以及风光互补自供电电源参数采集，同时完成防入侵监测的红外微波探测信号、门禁信号和视频信号的采集功能。现场设备参数通过4G 无线传输终端传输到远程接收软件。远程接收软件运行于具有公共IP 地址和端口的电脑上，与各个分布式地面抽采点之间进行数据收发。远程接收软件具有抽采点分组功能、报文显示功能以及故障判断识别功能，如图4 所示。

图4 远程接收软件Fig.4 Remote receiving software

远程接收软件与各煤矿监测中心数据库完成交互操作，各煤矿监测中心通过瓦斯安全监控系统中心站软件可以实时观测到地面抽采点数据，并存储以及打印历史数据，用于煤矿瓦斯抽采量分析、瓦斯抽采状况研究。瓦斯安全监控系统中心站软件如图5 所示，地面井参数分析曲线如图6所示。

图5 瓦斯安全监控系统中心站软件Fig.5 Central station software of gas safety monitoring system

图6 地面井监测参数分析Fig.6 Analysis of surface well monitoring parameters

现场网络摄像仪具有红外夜视功能，网络摄像仪传输视频数据到无线终端设备，无线终端设备内部插有64 G CF 卡，全天24 h 循环录制现场视频。同时视频信号通过4G 无线传输终端传输到远程视频服务器，各煤矿运行客户端软件与远程视频服务器通讯，实现现场图像的实时监控。视频客户端软件具有远程控制摄像仪上电和断电、录制视频、预览视频以及联动控制功能。

地面井设备采集管道参数和防入侵报警信号，摄像仪视频信号采用全天24 h 不间断采集，如果全部实时远程传输，数据量比较大，为节省流量，需要考虑视频传输的闭环控制系统，即采用红外微波探测信号和门禁开关信号进行远程控制视频传输，实现报警信号与视频传输的联动功能。当红外微波探测信号报警或者门禁开关信号报警，视频客户端自动进行视频录制。红外微波探测器探测到有人员入侵，发出报警信号。设备监控箱内部安装了门禁开关，正常运行状态下，监控箱门是关闭状态，当有人入侵，打开了监控箱门，门禁开关由常闭状态转换为常开状态，实现状态反转并报警。报警信号通过无线智能终端传输到远程接收软件，再通过中心站与视频客户端软件通讯。视频客户端软件读取这两种报警信号，依据现场报警信号实现视频自动传输及录像。当录像10 min 后，再次检测是否还存在报警信号，如果无报警信号产生，客户端软件停止视频传输及录像功能，如果再次检测到报警信号，客户端软件将继续进行视频传输及录像功能。视频客户端软件如图7 所示。

图7 视频客户端软件Fig.7 Video client software

4 结语

本文利用4G 无线智能终端实现地面井瓦斯抽采监测中管道参数、防入侵环境安全参数及视频信号的无线传输，通过远程接收软件、中心站软件、视频服务器软件及客户端软件实现地面井监测参数中心站显示、查询以及远程报警信号和视频信号的联动功能，实现视频闭环控制，节省数据流量和视频存储空间。本文实现的监测方法在淮北集团临涣煤矿地面井瓦斯抽采监测系统进行了工业性试验，系统运行安全、稳定、可靠。4G 无线智能终端应用于地面井瓦斯抽采监测系统有力推进了抽采信息化进步，促进了信息化融合技术在煤矿企业的应用。