基于蓝牙技术的煤矿防爆监测系统

冯 暖

(沈阳工学院 信息与控制学院，辽宁 抚顺 113122)

基于蓝牙技术的煤矿防爆监测系统

冯 暖

(沈阳工学院 信息与控制学院，辽宁 抚顺 113122)

为应对煤矿安全生产，提出了一种利用自动识别技术对煤矿瓦斯浓度进行防爆监测的系统。该系统井下监控终端节点由传感器模块采集信息经过A/D转换等信号处理后单片机作为核心控制器，用蓝牙通信模块实现节点信息传输，替代传统光缆、电力线缆，为固定的或移动的终端设备提供接入服务，最终实现实时矿井瓦斯监测的功能。该系统实时性好，数据传输速度快，数据传输可靠性高，同时节省大量有线电缆，降低了成本，提高了煤矿生产的安全性。

煤矿； 瓦斯浓度; 监控； 通信； 物联网

0 引 言

煤矿安全监控系统是煤矿井下安全避险的重要系统之一[1]，在煤矿瓦斯防治、灾害预警等方面发挥着重要的作用[2]。煤矿瓦斯是多重易燃易爆气体，其主要成分是甲烷，当其与空气混合的比例达到5%～16%[3]，遇到明火就有引发爆炸的危险。除了一般的井下巷道瓦斯浓度监测，还需要对类似采空区及人员难以到达的特殊区域进行监测，因此采用物联网技术，利用蓝牙技术联通自动识别监测终端节点与井下接收站，通过局域网实现井下、井上数据传输，实现对煤矿瓦斯浓度的实时监测。

1 防爆监测系统总体设计

防爆监测系统为实现对煤矿瓦斯浓度的实时监测，设计了基于蓝牙通信的多节点传感器系统(见图1)，井下监控终端节点由传感器模块采集信息经过A/D转换等信号处理后单片机作为核心控制器，用蓝牙通信模块实现节点信息传输，无线数据接受分站通过局域网将井下瓦斯浓度信息经过防火墙，上传给井上地面监控主机。实现无线数据接收分站将数据接入局域网，利用已有的局域网系统监测多个终端的瓦斯浓度数据，并从井下传输到地面远程监控主机[4-6]。这种方式提高了系统的抗干扰性能，实现了多点实时监测。

图1 防爆监测系统传输示意图

2 系统硬件设计

井下监测作为防爆监测系统的核心其硬件部分选用STM32单片机作为核心处理器，主要由MCJ4/3.0催化燃烧型瓦斯传感器[7-9]、信号处理模块、蓝牙无线收发模块、电源模块及显示及报警模块组成。

2.1 传感器模块

瓦斯传感器MJC4/3.0L(MC112)是根据催化燃烧效应原理工作的，其特点是性能稳定、测量精度高、响应速度较快，适用于矿井现场对可燃性气体进行浓度探测[10-13]。瓦斯传感器由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。当有瓦斯流过敏感元件时，引起火焰燃烧，释放能量使元件温度升高，从而反映被测瓦斯气体的浓度[14-16]。

2.2 STM32及蓝牙无线传输模块

移动式瓦斯传感器采集瓦斯信号，经过微弱信号放大电路、A/D转换、数字滤波器后由STM32单片机存储数据，利用蓝牙无线传输模块发送数据至无线数据接收分站。

STM32系列使用的是ARM公司所研发的Cortex-M3内核，其特点是既克服了16位单片机指令和性能的限制，又解决了32位处理器高成本、高功耗的缺点。

蓝牙是一种短距无线通信技术。其传输距离一般为10 m，如果适当增加其发射功率，传输距离可达到近百m。工作于2.4 GHz开放频段，在此频段传输，将有效降低井下的传输损耗，同时具有穿透障碍物，具备点对点或点对多点的数据传输等优点，在矿井环境适合采用蓝牙技术进行无线数据传输。

蓝牙模块采用BF10-I智能型的无线数据传输蓝牙模块，处理器采用STM32F103模块，通过蓝牙模块的串口管脚UART_TX和UART_RX，发送AT指令实现全双工串口通信，接口电路如图2所示。

图2 蓝牙与STM32的连接图

系统采用局部无线数据传输和局域网相结合的数据传输方式。单片机将瓦斯浓度数据通过蓝牙模块传输给无线数据接收分站，再通过局域网进行传输，实现地面主机实时的进行远程瓦斯气体浓度监测。

3 系统软件设计

系统的工作流程是核心控制器STM32、蓝牙模块、传感器模块、串口、定时器初始化和中断服务。系统运行过程中需要软件进行信息的无线传输。系统流程如图3所示。通电之后，蓝牙模块则自动连接形成串口透明，此时的数据传输是全双向的。发送AT指令，设置监控终端串口连接的蓝牙发送模块与无线数据接受分站的蓝牙接收模块相同的波特率，并设置通信的主从模式。查询设置模块主从模式指令(见表1)。设置模块工作模式，见表2。

图3 主流程图

表2 设置模块工作模式指令表

4 结 语

根据煤矿安全领域的实际，提出了基于蓝牙进行无线通信技术的矿井瓦斯监测系统，该系统能够通过局域网向井上主机实时发送井下监测终端节点的信息，便于井上人员及时了解井下的安全状况。当测量值超过警戒装置阈值时，触发报警装置。该系统能够实现矿井瓦斯监测的功能，实时性好，数据传输速度快，数据传输可靠性高，同时节省大量有线电缆，降低了成本，在实际矿井作业中具有应用和参考价值。

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Explosion-Protection Monitoring System Based on Bluetooth Technology in the Coal Mine

FENGNuan

(College of Information Technology, Shenyang Institute of Technology， Fushun 113122， Liaoning, China)

The rapid development of the Internet of things technology leads to the breakthrough in the field of coal mine safety monitoring with automatic identification technology. For production safety in coal mine, this paper puts forward an automatic identification technology for explosion-proof monitoring of coal mine gas concentration. The monitoring terminal nodes of the system collect downhole information by the sensor module, after A/D conversion signals are sent to single chip microcomputer to process. Bluetooth communication module is used to transmit information among nodes, as an alternative of traditional optical cable, power cable. Finally, the function of the mine gas monitoring is realized in real time. The system is with good real-time performance, fast data transmission speed, high reliability of data transmission. At the same time it saves a lot of cable, reduces the cost and improves the safety of coal mine production.

coal mine； gas density; monitoring； communication； the Internet of Things

2016-04-10

冯 暖(1981-)，女，辽宁锦州人，硕士，副教授，电子信息工程专业教研室主任，主要从事教学与科研工作。

Tel.：18641331553；E-mail：279901222@qq.com

TP 277

A

1006-7167(2017)01-0290-03