OPM技术在矿井气体监控系统中的应用

乔晓娇，吴哲夫，刘庆

(浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023)

0 引言

目前，国家对矿井安全生产的重视程度己提高到前所未有的高度，但是现有的矿井下无线通讯技术不能满足矿井气体监控实时性的要求［1－4］，论文提出了基于无线自组网［5］(Opportunistic Mesh Networks，OPM)的矿井气体监控和人员定位的设计方案，利用无线监控与定位系统智能终端的无线网络，采用自动标定方法，无需人工干预，解决气体传感器的精度问题，使低成本的催化气体传感器能大规模用于矿井气体监控;将监控、定位、照明、警报、灯光信号通讯有效结合，成为井下工作人员随身携带的气体实时监控与定位的设备。

1 无线自组网OPM技术

OPM技术是一个大规模的认知无线网络技术，是由加拿大OMESH公司研发的新一代无线通信技术;与802.15.4和TCP/IP协议标准兼容。OPM技术优点如下:保证实时跟踪信息及警报信号的无线通信，网络扩张性不受无线多跳数的限制;适机动态地使用网络资源;大规模智能组网，每网关可支持65535个节点;即设即用的布网和运营，毫秒级组网时间;高效抗干扰特性，直接使用免授权频段。目前的各种无线通信技术的比较如表1所示。

基于以上比较分析，选择OPM无线通信技术，通过扩展实时跟踪定位功能，可以很好的满足矿井人员定位系统的需要。

2 系统总体设计

井下人员定位系统［6］主要由终端设备、路由器和中央监控中心3部分组成。

表1 各种无线通信技术的比较

终端设备是本系统设计的核心，它是由一个具有4种气体传感器检测的便携式复合气体装置，通过LCD显示屏实时显示当前作业环境的气体浓度和状况。当气体浓度超标时，终端设备能立即启用声光和振动报警，并立即通过OPM射频收发技术传输到监控中心与相邻节点，极大地方便了井下人员和地面人员的联络。终端设备结构框图如图1所示:

图1 终端设备

路由器是本系统所使用的无线传感网的重要组成部分，采用RS232接口作为上层接口，可方便的与上层设备联通，是终端设备和服务器通信的桥梁，在外加功放的条件下，它能覆盖1 000m直径范围内的所有终端设备。监控中心使用定制的工控机(IPC)搭载自动化管理平台，采用B/S架构，方便在监控中心的各台工控机上实施监控，并确保网络通信的安全性和稳定性。

3 系统实现

本系统在技术实现上，不仅要考虑3个分系统的实现，还要好考虑3部分的协调工作，以期达到系统的最优化设计。本系统的最关键的部分是终端节点电路的设计，因此重点介绍终端设备部分。终端设备主要由传感器A/D采样部分、OPM无线模块部分、声光报警部分、LCD显示电路部分、按键、供电电路部分等构成。由于篇幅有限，仅画出部分原理图与数据采集处理流程图如图2－4所示:

图2 微处理器MCU接口电路

图3 OPM射频收发电路

图4 数据传输流程图

系统软件实现方法是刚开机时首先进行程序自检，主要检测机器是否工作正常、电池电量是否充足以及传感器是否调零。然后I/O口进行初始化，包括MCU、OPM复位、定时器以及液晶。程序自检与I/O初始化以后，循环检测是否有按键按下，传感器每30ms进行采样比较分析，一旦发现气体浓度值超标，报警灯立即闪烁、蜂鸣器常响，并在液晶上显示，同时OPM模块通过串口接收到单片机的报警信息，然后OPM模块发送广播信息，通知相邻的节点与路由器，一旦监控中心收到此报警信息，根据定位信息，立即找到事故发生点，并通知井下作业人员进行撤离，采取救援措施，整个过程信息数据传输相当快，满足矿井信息实时及时的要求。由于系统使用条件的特殊性，系统低功耗性非常关键，这就要求软件部分对MCU、OPM模块和传感器的工作方式可以随时切换到休眠或者正常工作模式。

本系统的关键技术以及整体硬件实现技术如下:

(1)整个系统的供电电路的设计是相当重要的，不仅要满足可靠稳定性，也要满足低功率耗性;另外由于传感器对电源要求相当敏感，纹波系数不能太大，该采集电路属于模拟电路，而MCU与OPM部分属于数字电路;为了避免干扰，设计时模拟电路与数字电路要单独供电;为了使供电稳定可靠，设计是采用线性三端稳压芯片如78MO5以及REG1117，从而满足电源纯净性的要求;由于是采用4.2V锂电池供电，锂电池也要保证是防爆型的;

(2)设计终端节点时，为了使系统设计的方便可选性，在终端节点上添加上TTL电平与EIA电平之间转换的芯片MAX3221，以方便OPM既可以与PC通信也可以与单片机通信，具有可选性，这样设计的目的可以使终端节点在不使用时，可以当作路由器使用;

(3)由于系统是在矿井下特殊环境下工作，系统要保证能具有防爆、防尘、防水功能，这就要求在设计layout时，元件布局最好分开，减少分布系数，元件管脚越短越好，PCB走线最好走直线;模拟地与数字地要分开，高频部分与低频部分要分开，这样也可以提高电路的抗干扰性。由于电容、电感这类储能元件危险系数比电阻高，所以这类元件越好用电阻代替;另外整个系统在高频下相当于热源，设计时尽量保证系统最好在室温度下工作，系统越冷对纹波的依赖性越好，提高了系统的可靠性;

(4)OPM无线通信部分要保证人机交换的人性化，在OPM模块准备接收/传输数据、开始传输/接收数据、数据传输/接收数据完毕后要分别有相应的指示灯提示，如图3中3个LED灯，这样也可以增加维修检验人员的方便性。

4 结束语

井下人员定位系统结合最新的物联网技术、通讯技术、微电子技术和新一代煤矿气体检测手段，将井下有害气体监测监控、井下人员定位和通信联络于一体，它弥补了现有的固定式检测仪器的不足，提高了检测仪器的便携性，系统提供了更科学、更高效的监控方法和指挥方法给煤矿管理者，将信息化辅助管理引入煤矿安全生产和应急指挥环节中，最大限度的避免可能发生的事故，保障矿井工人的生命财产安全。

［1］刘永平.红外技术在煤矿井下测温和测气中的应用［J］.红外技术，2000，22(4):59－62.

［2］孙继平.矿井移动通信需求分析及网络结构的研究［J］.煤矿设计，1999，(1):17－20.

［3］蔡云龙.刘宝玲.宽带无线通信技术［M］.北京:人民邮电出版社，2008:102－198.

［4］吕治安.Zig Bee网络原理与应用开发［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008:42－96.

［5］OMESH Networks Incorporation.OPM Software APIGuide［EB/OL］.http://www.omeshnet.com，2010－12－22.

［6］魏作辉，艾惠明.基于Zig Bee无线传感器网络的煤炭监测系统设计［J］.工矿自动化，2008，(3):41－43.