基于物联网技术的煤矿定位与监测系统设计

曾永华

【摘要】 为了能够有效实现对煤矿整体生产过程的安全管理，减少煤矿事故的发生，应用射频识别技术、无线通信技术以及相应的瓦斯传感器技术设计井下定位与智能监控系统能够有效增强对矿工的安全保障，提升煤矿安全管理的效果。本系统使用中心数据库，综合应用ZigBee技术实现对于矿工位置的实时定位以及跟踪，实现对于瓦斯的监控。

【关键词】 物联网 煤矿定位 识别 监控 定位 设计

煤矿安全生产管理的智能化、信息化是煤矿生产管理部门以及煤矿企业极为关心的重点问题。我国井下通信和定位系统基本上沿用了通过线缆实现有线通信的工作方式，线缆的通信方式具有铺设成本过高，系统升级改造不方便等缺点。设计基于射频识别、瓦斯传感以及ZigBee通信方式的定位与智能检测系统对于实现矿井的智能化管理具有重要意义。

一、系统整体设计

基于物联网技术的煤矿定位与监测系统主要由RFID为核心的定位模块、瓦斯传感装置以及基于ZigBee的无线通信和地面控制中心构成，瓦斯传感器采用了适应性以及线性度较高的MQ-4气体传感器，RFID采用了NRE24LE1芯片，无线通信ZigBee模块则采用了CC2430芯片设计。

1、定位监控网络。定位监控网络通过ZigBee实现无线通信，通信网络由若干个监测点以及协调节点以及路由器节点等构成。首先由RFID进行标签以及瓦斯传感器等相关数据的识别，并实现数据的读写以及向ZigBee路由器节点的传输，也接受来自ZigBee路由器节点的各项实时控制数据，所有的测试数据都可以对地面控制中心完成数据的双向传输。

2、RFID定位模块与瓦斯传感器。RFID定位模块主要由有源电子标签以及读写器构成，读写器通过无线数据实现与ZigBee路由器的连接。当矿工在工作的时候，读写器对其范围内的有源电子标签进行读写，并将数据通过网络传输到监控平台。电子标签只有在具有读写的能量场的时候才处于工作状态，消耗一定的功率，平时处于休眠状态，以此实现电子标签长时间的工作。工作中，电子标签能够主动发送自身的识别代码以及员工的信息等数据。瓦斯传感器是系统的检测装置，通过对不同分类、不同体积的气体的电阻值进行检测，根据其输出电压进行判断。

3、读写器的布设。在矿井监测中员工的定位主要依靠读写器的功能，因为实际工作环境较为复杂，因此当读写器被布设到某一个位置的时候，读写器的读取范围不一定能够达到理想的监测范围，如在巷道拐弯等地方或读写器的信号盲区。因此良好的网络布设方案可以提升更为精确的定位，同时也能够降低读写器网络布设的成本。

二、监测系统的功能实现

通过对矿井人员和监测中心管理功能的整体分析，确定了本系统在综合硬件设计以及软件设计的基础上具有以下的功能。首先是实时监控矿井内的瓦斯体积分数；其次要能够保证员工的求救信号获取以及实时位置分析；同时系统需要具备保障功能，保护矿井工作人员的安全。

2.1 斯监控系统实时监控矿井内的瓦斯体积分数

在矿井实时监测系统实际应用过程中，系统要能够对瓦斯在超过报警体积分数进行监测，当超过预定指标的时候，系统提示工作人员进行情况的分析与原因的分析，并进行及时处理。瓦斯的体积分数由0.4%上升到0.7%的时候，系统进行报警，同时可以对超标的体积分数、具体分布位置以及附近的员工进行查询。工作效果如表1所示

2.2 危险区域报警

在工作过程中，如果员工进入到危险区域，读写器通过声光报警信号提示危险信息，提醒员工撤离，通过读写器将报警信号实时传输到地面控制中心，控制中心的人员可以查询并确定危险区域的具体位置以及处于危险区域员工的相关信息。当危险发生时，地面监控中心可以向井下发报警信号，定位基站接到信号后发出报警声来通知井下人员紧急撤离。

三、结论

基于物联网技术的煤矿定位与监测系统实现对瓦斯体积分数的实时监测，同时确定矿井施工人员的准确位置。通过网络节点实现无障碍、无信号盲区的监测，监控中心的人员对矿井下面的状态进行实时监管，并能够在险情发生时及时进行定位并实施有效的救援。基于物联网技术的监测系统具有可靠性高、成本低、功耗低以及适应复杂工作环境等优点，在实际煤矿安全生产中具有重要的应用价值。