基于物联网的矿井安全监控系统的设计及应用效果分析

邢鹏荣

（晋能控股煤业集团云岗矿，山西 大同 037000）

由于国家不断改革与整理煤矿行业，逐渐提高了煤矿井下生产的安全性的条件，而且对其的关注度也在逐渐提高。若有事故发生在煤矿井下，第一件要做的事就是把矿工的遇难者进行搜救，可煤矿井下所处的环境是十分差的，若有矿工遇难之后，极不易开展搜救，就会把搜救矿工的最宜时间给错过了，造成不少的悲剧。由于不断发展的物联网技术，使无线通讯技术在我国的众多领域中广泛使用，ZigBee技术尤其突出，主要是因为ZigBee技术的成本、速率、能耗都比较低，所以其获得了各领域人士的极度重视。所以，根据上面所说的情况与技术的应用，对煤矿井下的安全监控系统进行了开发，能随时监控矿工所在的具体位置，使处理矿井事故的效率提高，对确保矿工的安全意义十分重大。

1 设计监控系统的要求

在未设计监控系统时，要对监控系统的可行实用与经济进行考虑，以下就是云岗矿所提出的详细条件：①就是无线传感信号的运行具有稳定性，而且抗干扰能力与穿透性等均较好；②就是以太网通信的传送速度比较快与充足的带宽，能够保障监控系统在对数据输入准确实时；③由于位置传感器的能耗比较低，带电能力比较强，所以其被井下的职工带在身边；④对测量设备进行选择时要考虑对成本的控制，只有最大限度地把成本减少就能符合具有稳定与准确性的系统的要求；⑤扩展性较好是监控系统所拥有的特点，能够保障对系统的改进与升级，把使用监控系统的期限延长，使利益实现最大化；⑥灵活的操作与适应的环境是监控系统所拥有的特点，可以按照井下的真实状况，有针对性地进行处理，供给工作人员进行参考。

2 设计监控系统方案

图1即为安全监控系统方案，其方案由数据处理监控层、数据传输层与数据采集层构成，其数据处理监控层所说的是顶层的，数据传输层主要是以太网，影像采集装置、所有的传感器等能够实现具有数据采集功能的底层，比方说，红外摄像头、风速风压传感器、温湿度传感器等，能够完成随时采集井下生产的有关数据与施工环境。把井下采集数据经过以太网反馈与传递给上层就是中央的数据传输层的主要工作，并且ZigBee技术对采集的所有移动环节所使用。计算与处理接收到的视频信息与数据就是顶层的数据处理监控层需要完成的主要工作，并显示出其监控数据；与此同时，按照数据的改变走向监控人员可以把控制命令发送给井下，使控制和监测井下的施工得以实现。

以下就是该系统所拥有的优点：实施与布线不依赖其他，而且还以目前所存在的监控系统为基础来设计与改造，在本文设置安全监控系统的实现是选取的后者，其作用是把井下施工的安全性提高，还可以节约投入成本。

3 设计监控系统

3.1 硬件设计

在井下的监控系统中最主要的就是硬件设计，在对其进行设计与改造时，为了可以符合企业发展所需要的条件，基于之前的传感器，来对下面几项工作进行开展。

3.1.1 设计主控芯片

对于芯片而言，大部分的集成方法有2种，分别是外围电路与主控芯片分离、主控芯片的下面一级的电路与主控芯片的集成，作用对应是前者能够被工程师随意设置，后者是电路所需要的空间下降，把其集成度提高，能确保其适应性良好。射频收发模块即为C2530主控芯片的下级电路，CC2530片上系统的使用，是为了能够对矿井下极差的施工环境进行适应。当CC2530主控芯片工作时，其特点是较低的功耗、较多的网络节点等。按照不同的内存量可以把主控芯片分 成：CC2530F256、CC2530F32、CC2530F32、CC2530F64，在本文所选择的主控芯片的型号是CC2530F64，CC2530F64中设置的Z-StackM可以符合连接无线传输网络时所需要的要求，而且在对Zig⁃Bee进行设计时，3种不一样的节点也可以使用[1]。

3.1.2 设计温湿度传感器

与井下安全监控系统选用的传感器的环境状况相结合，温湿度传感器GWSD100被选用，其GWSD100主要包括2部分，分别是湿度探头与温度探头，前者的优点是灵敏度好，检测范围好，可以使采集的温湿度信号更加可靠、稳定的实现。并且会把采集的温湿度信号进行汇总至里面的处理器系统中，然后在对其进行分析，温湿度频率输出信号与相应的温湿度电流输出信号的兼容性较好。图2即为GWSD100工作原理框图。

3.1.3 设计瓦斯传感器

在井下作业时，最重要的检测因素就是瓦斯，关于瓦斯传感器的比较高的要求来说，不但检测要有较强的灵敏度，还要防爆能力不错，因此才选用了瓦斯传感器GJC4。瓦斯传感器GJC4使用的芯片是嵌入式的，有利于控制和维护，符合随时监测瓦斯浓度的需求。声光报警、显示器、单片机等构成了瓦斯传感器GJC4，其功能是传输距离比较远、显示信息、声光报警器、输出数据信号、断电保护等，设计可以呈现模块化能够保证将来的安装更加方便快捷。

3.2 设计节点模块

3.2.1 设计移动定位节点

在井下的工作人员移动后，对移动后的位置进行指示就是移动定位节点，并且内部信息要对应相应人员的详细信息，若要随时掌握所有人员所在的位置，就要把其随时带着。图3即为移动定位节点的系统框图，主要由传感器、天线、电源、CC2530主控芯片等构成。CC2530主控芯片的主要功能就是对井下的工作人员的具体信息进行收集与处理，然后射频天线会把各个人员的具体信息传递给地面上的监控中心基站，使对井下人员的实时监控的目的得以实现。模块化想法会被系统设计所使用，并把扩展接口提前留在芯片的左边一侧，数据传输接口也是对应传感器所具有的，有利于升级、维护系统。

3.2.2 设计参考定位节点

在井下安全检测系统内，若想把井下工作人员所在的详细位置进行确定，就要把移动定位节和定位节点结合起来，方能使实时监测井下工作人员的功能得以实现。在井下设置参考定位节点时，要把其生产环境作为基础，必须符合分布密度与定位精度的条件。由于不少的分支路口、复杂的空间分布存在工作面巷道中，具有收发能力的无线信号也被考虑其中，用来明确设置参考定位节点最好的位置。一般会把很多监测传感器安装在参考位置节点的位置，比方说瓦斯传感器、温湿度传感器等，网线网络会把采集到的数据传递到地面的监控系统中，使监测井下的操作环境得以实现。图4即为参考定位节点系统框图，CC2530就是参考定位节点的中心，其作用就是对所有传感器采集的实时信号进行接收，并安装了电源模块，其目的就是提供给报警模块与所有的传感器能量，所有的参考定位节点的有关位置信息有且只有一个，并和具有64位地址的射频芯片相对应，以此为基础来明确移动定位节点所在的详细位置。

3.2.3 设计协调器中心基站

就井下安全监测系统而言，协调器中心基站能够起到的作用是对其进行组织、管理、维护与协调，图5即为协调器中心基站系统框图。存在于协调器中心基站的所有部分之间是相辅相成与独立共存。中心节点不但是无线网络创建的依据，而且还是连接数据处理模块接收被无线网络传递过来的信息数据的枢纽；对节点的数据进行存储、分析、接收及通信于主机是处理器模块能够实现的功能；在地面的监控系统接收被通信接口传送中心基站有关数据时，首先要经过交换机的处理，然后再通过以太网把其传送到地面的监控系统中。

3.3 设计控制界面

对井下安全监控系统来说，其主要用途就是监测井下的环境与工作人员，所以要显示井下的监测数据，并把数据提供给人员，让其进行察看。完成人机交互的孔道就是控制界面，这一设计重要性非常大，不但要把数据完全显示出来，而且操作也不难。井下安全监测系统主界面能够直接地把人员所在的位置显示出来，而且经过软件能够切换界面，可以使对该系统界面的监控和显示的条件得以满足。

4 评价应用效果

由于要对所设计的井下安全监测系统的主界面的成效进行验证，所以跟踪记录了半年的井下安全监测系统的主控界面的运行流程，得出的应用效果发现，该系统运行具有可靠性、稳定性，可以符合对井下工作环境与工作人员的进行监控的条件。和未改进该系统相对比，新设计的矿井监控系统投入的维护费用下降了20%左右，由于安全事故所造成的停工期限下降了15%左右，使采煤机械设备的使用率上升，若发生矿难时搜救遇难人员的时间下降了40%左右，应用获得的效果不错[2]。

5 结束语

在煤矿中，安全与经济利益关系密切，一定要对其重视起来。关于在发生矿难时对受困人员不易进行搜救的问题，以物联网技术为基础，改造与设计了井下安全监控系统。得出的应用效果发现，该系统运行具有可靠性、稳定性，可以符合对井下工作环境与工作人员所在的具体位置进行监控的条件。