无线传感技术在煤矿火灾自动报警系统中的应用研究

董明星，肖 鹤，陈 鑫

(西安交通工程学院，陕西 西安 710300)

尤其是近年来煤矿火灾事件的发生数量不断攀升，使煤矿的火灾报警问题成为热点问题[1-3]。因此研究煤矿火灾自动报警系统，实现初期煤矿火灾的准确探测与预警，以便能够及时采取对应安全措施，抑制火情的大规模扩散。煤矿火灾自动报警系统，通常需要实现联动控制、火灾报警等功能，国内外对于煤矿火灾自动报警系统的研究已经取得了多样化的研究成果，并开发了很多实用性的产品，但是，系统延迟性问题一直没得到很好的解决。本文对煤矿火灾自动报警系统进行深入研究，提出一种基于无线传感技术的煤矿火灾自动报警系统，该系统应用无线传感技术对无线传感网络进行搭建，实现了网络性能的提升。并对设计系统进行了搭建与实际测试。

1 煤矿火灾自动报警系统设计

1.1 无线传感技术的

对煤矿火灾自动报警系统进行总体架构设计，其逻辑结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure

煤矿火灾自动报警系统分为信息层、特征层、决策层。信息层主要负责煤矿环境温度的信息采集与预处理，将温度数据传输至特征层，并进行平均温度和温度斜率值的转换。其决策层是该系统的核心部分，其主要功能包括温度数据的处理和报警判定，实现煤矿火灾自动报警功能。

1.2 硬件设计

1.2.1 无线传感网络数据采集模块

无线传感网络模块用于系统通信和环境因素、感知对象的检测和采集，用于信息传送和通信[4-6]。无线传感网络模块需要设置多个传感器节点，这些传感器节点均能向指定接受点发送采集数据。使用的传感器节点型号为Acrel-2000T/A，属于一种高温监测传感器[7]。该传感器节点的具体技术数据如下：工作电源为DC100-300V或AC85-265V，采样周期为25 s，发射频段为470 MHz，传输距离为空旷地区可以传输150 m，发射周期为5 min，测量精度为±1 ℃，通讯方式为一路上行RS485接口(MODBUS RTU协议)、一路上行以太网接口、一路下行RS485接口(MODBUS-RTU协议)，装置自带蜂鸣器，温度超过设定值时启动蜂鸣器输出，进行高温告警，硬件构成为以太网口、硬盘1 T、内存4 G。分辨率800×600、显示器 12寸，I/O接口共3种，分别为GLANX2、USBX4、COMX6。除了传感器节点，模块内还有另外两种节点，分别为汇聚节点与任务管理节点，各种节点发挥的功能不同[8]。无线传感网络模块的结构体系具体如图2所示。

图2 无线传感网络模块的结构体系Fig.2 Structure system of wireless sensor network module

以实际情况为依据在煤矿监控区域中对各种节点进行布设，节点间利用自组织方式对无线通讯网络进行构建。各节点在对数据信息进行采集后利用自组多跳形式向汇聚节点传递[9]。而汇聚节点则负责对传感节点实际传递信息进行汇聚，接着通过通讯协议向任务管理节点实施信息传输。由任务管理节点对数据进行处理，并利用终端对其进行显示[10]。对于传感器网络来说，传感器节点是搭建网络时的核心部分，既需要进行数据采集，也需要进行数据的传递[11]。在单独工作时，传感器节点的存储能力与计算能力都是有限的，为降低耗能，大部分时间它们需要处于休眠状态。而汇聚节点则拥有较强的存储与计算能力，供电采用固定电源。这种节点可以随时对传感节点发送的信息进行接收，并通过网络向模块中的任务管理节点进行信息传输。

1.2.2 自动报警模块设计

自动报警模块由联动控制单元和火灾监测模块构成，模块的组件构造如图3所示。其中火灾探测器共有4种类型，需要根据实际情况进行选择，具体包括可燃气体、光辐射、感温、感烟探测器。可燃气体探测器选择的型号为YA-D100，该探测器能够对常见的120种可燃气体进行探测，分辨率可达1%LEL，采用12～30 V直流电源供电，电压为220 V。光辐射探测器选择的型号为BT-476，能够实现大范围广角探测，其探测角度可达135°，探测距离为1～12 m，采用有线通信方式，工作电压为9～16 V，报警电流为150 mA，工作温度范围为-10～+60 ℃[12]。感温探测器选择的型号为KSY-AJ-309，可进行360°探测，探测距离为6 m，工作电压为DC 9～28 V，报警电流≤45 mA，工作温度为-10～+50 ℃，采用有线通讯方式。感烟探测器选择的型号为YT3245，工作温度为-10～50 ℃，单个探测器的探测面积可达20 m2，每40 s闪1次指示灯，输出形式为声光报警，报警音量大于80 dB。模块中的火灾报警控制器是核心器件，用于对火灾探测器进行监测，确保火灾探测器可以有效、稳定、长期工作[13]。当煤矿内出现火情时，火灾报警控制器可以对传感器探测的火情信号进行接收，正确、迅速地实施数据处理，对报警部位进行指示，并对辅助控制进行执行。此外，火灾报警控制器还具备通信广播、图形显示、打印输出、联动控制、自动检测等功能[14-15]。

图3 自动报警模块的组件构造Fig.3 Component construction of automatic alarm module

1.2.3 显示模块

显示模块通过LED屏幕对火灾报警信息进行显示，使用的LED屏幕为悬挂式屏幕[16]。该屏幕为双色屏幕，型号为WDM-P10XS，屏幕尺寸为2 660 mm×1 380 mm×140 mm，像素间距为P10，采用晶元芯片。

1.3 软件设计

1.3.1 数据处理程序

数据采集模块由多种信号采集电路构成，具体包括波形整理、隔离、滤波、采样等电路，能够准确、可靠地对传感器的状态信息数字信号进行处理[4]。其中波形整理电路通过光耦对信号实施波形整理处理；隔离电路用于对光耦进行隔离，以防外部电气设备出现故障时的瞬时冲击影响数据采集模块的运行；滤波电路使用的滤波器为RC低通滤波器，能够滤除信号传输时的噪声干扰；采样电路用于对数字量信号转换处理，使其能够被普通数字电子电路处理[5]。其中RC低通滤波器采用的型号为XS5001L2G96WA65。对于该滤波器，计算截止频率的公式具体如下：

(1)

式中，RC为滤波器频率。光耦隔离电路中使用的芯片为TLP521，能够增加安全性、简化设计电路步骤、降低电路中的干扰。该芯片中每片都有两路光耦，能够有效进行光耦隔离。

1.4 自动报警程序

自动报警程序主要结合神经网络和模糊控制对火灾判断进行辅助。在数据处理模块中，首先需要预先实施神经网络模型输入、输出值的模糊预处理，并在神经网络中输入处理结果，通过神经网络模型进行计算。在计算中对对应的模糊规则进行定义，对计算结果实施模糊处理，从而输出煤矿火灾的实际发生概率[15]。通过数据处理模块的计算，能够提升探测煤矿火灾的准确性，确保煤矿的正常运营，保障煤矿乘客的生命安全。

搭建的神经网络模型共有19个神经元，分别为3个输入神经元、15个隐藏神经元、1个输出神经元。其中输入层中的3项分别代表气体信号、温度、烟雾，需要对数值进行归一，归一区间为[0，1]。而输出层表示的是火情概率。选择的模型训练规则为Levenberg Marguardt，选择的模型传递函数为LOGSIG，选择的模型学习函数则为权值梯度学习函数。训练模型时的具体精度要求满足1×10-6。在搭建的神经网络模型的隐含层中，需要多加1～2个神经元，以提升误差下降速度。隐含层设定的具体神经元数的计算公式如下：

(2)

式中，y为隐含层神经元实际个数；z为输出层神经元实际个数；x为输入层神经元实际个数；n为常数，具体取值范围在1～10。

而模糊控制主要是通过控制器和计算机总结模糊经验，从而制定模糊规则，对人脑进行模拟来实施模糊控制、判断、识别。实施模糊预处理主要是实施规范化处理，也就是对输入、输出进行限制，使其处于规定范围。对于输入，所定义的模糊预规则为将气体信号、温度、烟雾分成4挡：ZO、PS、PM、PB，这4挡分别代表火灾可能性的4种：无可能、小、中、大。其论域上均为模糊集。对于输出，所定义的模糊预规则为对输出层的输出范围进行设定：[0，1]。

在计算中定义的模糊规则选用矩形函数进行模糊控制。对计算结果实施模糊处理则需要将计算概率值变为模糊变量后输出，根据输出决定是否报警。

2 实例分析

2.1 相关设置

在煤矿井下对无线传感网络模块进行布设，每隔100 m布设1个传感器节点，并对任务管理节点与汇聚节点进行共同布设，搭建无线传感网络。同时在传感器节点的邻近处对火灾报警控制器与各种火灾探测器进行布设。各处需要根据实际情况对火灾探测器进行选择。完成这些硬件的布设后，设置上位机进行软件的安装与系统的测试。

2.2 煤矿火灾模拟装置设置

对基于无线传感技术的煤矿火灾自动报警系统进行火灾报警测试。测试中火灾模拟装置设置在煤矿某个巷段，具体如图4所示。

图4 火灾模拟装置的设置地点Fig.4 Location of fire simulator

2.3 火灾模拟

利用火灾模拟装置点火，开始进行测试。测试时现场烟气蔓延情况如图5所示。

图5 现场烟气蔓延情况Fig.5 Smoke spread at the scene

2.4 系统测试

进行基于无线传感技术的煤矿火灾自动报警系统与煤矿站的联动实验。具体实验过程如下：在点燃火灾模拟装置后，探测器会探测到温度和烟雾信号，由传感器向火灾报警控制器传递信号，再由火灾报警控制器发出报警信号以及向LED屏幕传递报警信号。由LED屏幕发出火灾告警，工作人员组织现场人员的疏散与灭火，完成以上过程后整个实验结束。在实验中，当设计系统中的火灾报警控制器收到传感器的火灾探测信号以后，会把火灾信号幅度具体包括温度信号、离子电流信号以及光电散射烟雾颗粒信号的实际变化幅度和设定的变化幅度阈值相比。

当信号的变化幅度大于该阈值，则控制器会直接发出报警信号，具体如下式所示：

(3)

式中，y(t)为电信号的处理信号；T[]为传感器转换信号的处理方式；x(t)为传感器对火灾物理参数实施转换以后的电信号；D[]为判断逻辑，其中，0代表非火灾，1代表火灾；S为设定的变化幅度阈值。

(4)

对系统的延时和平均处理时间进行测试，系统的延时和平均处理时间的计算公式：

T=D-P

(5)

式中，T为基于无线传感技术的煤矿火灾自动报警系统的延时和平均处理时间；D为系统报警花费时间；P为火灾报警控制器收到探测信号花费的时间。

系统的延时和平均处理时间的具体测试结果见表1。表1中基于无线传感技术的煤矿火灾自动报警系统的延时和平均处理时间测试结果表明，在点火后烟雾浓度较低时，系统需要一定时间对情况进行判断，因此需要较长时间进行延时和平均处理。而在点火后烟雾浓度较高时，系统仅需较短时间进行延时和平均处理，说明系统探测火灾时的抗干扰能力与可靠性较强，可以投入使用。

表1 系统延时和平均处理时间测试结果Tab.1 Test results of system delay and average processing time

通信延迟时间的测试结果具体如图6所示。

图6 通信延迟时间的测试结果Fig.6 Test results of communication delay time

接着对基于无线传感技术的煤矿火灾自动报警系统的无线通信网络进行测试，信号通过无线通讯网络传递至大屏幕，通过大屏幕显示报警信息时，会存在一定延迟。当延迟时间过长，会对后续的人员疏散与灭火等行动造成影响。对系统无线通讯网络的延迟时间进行测试。在该测试环节中，将现有的基于光纤技术的煤矿火灾自动报警系统作为对比测试系统，共同进行测试。根据图6的测试结果可知，相比基于光纤技术的煤矿火灾自动报警系统，设计的基于无线传感技术的煤矿火灾自动报警系统的通讯延迟时间更短。并且系统报警整体花费时间也更短，对于后续的人员疏散与灭火等行动更有利。

3 结语

煤矿火灾自动报警系统是一种很重要并且实用性很强的煤矿安防系统。在对当前的研究成果进行总结的基础上，设计了一种基于无线传感技术的煤矿火灾自动报警系统，应用无线传感技术搭建了无线传感网络，成功实现了通讯延迟的缩短，提高了系统的网络性能。同时系统探测火灾时的抗干扰能力与可靠性也有所提高，实现了系统的设计目标。在实验过程中发现，系统无法实现火灾烟雾量的量化表示，控制电路不够完善，将会继续改进。