基于以太网的矿井监测系统研究

朱高中

(渭南师范学院数理学院，陕西 渭南714099)

在煤炭的生产、加工过程中会产生大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆气体，实时监测矿井环境是保证安全生产，减少隐患的必备工作。温湿度和瓦斯浓度是井下环境条件的主要因素，如何对矿井瓦斯浓度及矿井温湿度进行可靠、高效、实时监测一直是矿业生产中的焦点问题。因此开发一种安全、可靠、灵敏度高的矿井环境报警系统具有巨大的经济效益和社会意义。［1－2］针对上述情况，本文结合以太网技术和DSP技术提出了一种新型的矿井环境监测系统，该监测系统以TMS320F2812数字信号处理器为主控制器，根据现场情况设置温湿度传感器及瓦斯传感器，实时监测井下温湿度以及瓦斯浓度的变化，然后将采集到的数据通过DSP串行接口以太网传输模块ZNE－100T传到地面的上位机，实现人机互动，当矿井的瓦斯浓度和温湿度超过阈值时能够及时报警提示，上位机在接收数据的同时还存储数据，可以调用查看历史记录情况，从而实现了远程实时监测，保证了煤矿安全的正常运行。

1 矿井监测系统的工作原理

本系统可分为3个部分:现场机系统、以太网传输、上位机系统。现场机系统中的监测仪器包括温度、湿度和瓦斯浓度的测量仪器。矿井监测系统原理图如图1所示，从图1可以看出，控制芯片使用了数字信号处理器DSP，DSP主要用于对现场控制数据的采集和处理，为了实现环境的实时监控和监测数据管理传输，使用了以太网传输模块ZNE－100T，把以太网模块和其他外围电路结合在一起共同构成了以太网监控的硬件电路，以太网可以由TCP/IP协议来实现各个网络之间的数据连接，还可以通过以太网向上一级管理系统交换数据信息，从而实现现场控制实时监控。

图1 矿井监测系统的工作原理图

2 系统的硬件电路及其实现

为了实现对矿井瓦斯浓度、温湿度的准确实时监测和处理，系统以TMS320F2812为主控制器，利用TMS320F2812数字信号及其外围电路，控制和接收温湿传感器和瓦斯气体传感器的采集数据［3］，并将所接收的数据在液晶显示屏上显示，同时通过以太网传输模块ZNE－100T传输给上位机，可以实时显示矿井下的瓦斯浓度和温湿度。此系统设计还可以根据矿井具体情况的不同来设置阈值，当温湿度及瓦斯浓度超过设定阈值时，声光报警电路发出报警信号并作出及时处理措施，设计的总体框图如图2所示。

图2 系统设计的总体框图

2.1 瓦斯浓度监测的原理及传感器的选择

气体浓度检测原理是当光波通过气体介质时，气体分子会吸收红外光使光能量减少，气体分子对红外光的选择吸收，由于不同频率的光子被不同的气体分子选择性吸收，当不同频率的一束红外光通过待测气室，部分光的能量将被气体分子吸收掉。假设通过气室前的光强度为I0，通过气室后的光强度为I，气室内气体的浓度为C，气室内气体的厚度为L，单位长度下气体吸收红外光造成光信号减弱的程度为dI，根据比尔—朗伯吸收定律［4］可得:

在式(1)中μ为气体分子的吸收系数。对等式的两边积分得:

在式(2)中，N为气体分子的总数，α为常数值。根据积分原理则式(2)可转化为:I=e－μN+α和eα=I0，将N=CL代入式(2)中可得:

由于输入和输出光强与光频率v有关，故此输入和输出光强可以用关于v的函数I0(v)、I(v)来表示，式(3)可以表示为

由式(4)可得:

由式(5)可知，通过检测输入光强I0(v)和输出光强I(v)就可以测得气体浓度C，这就是利用光谱吸收法来检测气体浓度的基本原理。针对上述分析，本文选用的是热释电红外传感器PYS3228［5－6］。此传感器的传感元件带有两个接收探头，可以接收来自传感元件的信号。

2.2 温度检测电路

由于AD590温度传感器具有传输距离远、测量精度高、测量温度范围大等优点，因此该温度检测电路采用温度传感器AD590［7］，其温度检测电路图如图3所示。由图3可知，AD590温度传感器输出的信号为电流信号，然后将电流信号经运放LM741转换为电压信号，最后把输出的电压信号与TMS320F2812的引脚GPIOA0相连接，并经DSP进行处理传输。

图3 温度检测电路图

2.3 继电器控制电路

继电器控制电路如图4所示，当开关量P2．2输出为高电平时，经反向驱动器7406变为低电平使发光二极管发光，光敏三极管导通，从而使晶体管导通，继电器J的线圈通电，继电器触点闭合使电源接通，从而打开排气扇，使瓦斯浓度降低。反之，当P2．2输出低电平时，使S1断开从而切断了阀控制电路。

图4 控制电路图

2.4 以太网接口硬件设计

以太网硬件连接电路图如图5所示，从图5可以看出，该电路的主要电路部分有以太网模块、主控DSP处理器、串行通信模块、锁存器等。由于数字信号处理器DSP和网络之间串行标准不同，要实现DSP处理器和外网电路PC机的连接通信，首先要进行电平转换芯片来实现与网络之间的接口通信。

图5 硬件接口框图

3 系统的软件设计

矿井监测系统的软件设计是完成传感器数据的采集、监测任务，合理控制系统各硬件资源的核心。在实时监测瓦斯气体浓度和温湿度的同时，还要完成瓦斯浓度值以及温湿度数值的显示、声光报警、数据通过以太网传给上位机等功能。［8］

3.1 主程序

系统主程序流程图如图6所示，其工作原理是:矿井监测系统上电后，首先要对系统进行初始化，初始化正常后任务进入传感器的采集环节，实时对矿井下的瓦斯浓度和温湿度信号进行采集，随后把采集的各种参数信号数据存储到数据存储器，经液晶显示屏把温湿度数值和瓦斯浓度值在液晶显示屏上显示出来，并根据瓦斯浓度和温湿度显示值与预先设置阈值进行比较，如果监测到井下环境的数值超出预设的阈值，此时要启动声光报警电路，及时切断矿井下控制阀电路，并将输出的信号信息通过以太网传输给上位机，以便及时地做好应急准备，防止意外事故发生。

3.2 声光报警子程序

当采集到的矿井下周围环境的数字大于预设的环境阈值时，就需要启动声光报警同时远程控制监测采集数据，观测哪一部分出现问题并对相应问题做出及时处理。声光报警开启后，达到提醒矿井下工作人员离开的目的，当对相应问题做出处理后，此时系统可以通过延时20 s的时间来自动解除报警，声光报警流程图如图7所示。

图6 主程序流程图

图7 声光报警流程图

4 结语

本监测系统利用DSP技术和以太网技术结合的方法进行远程矿井监测，通过温湿传感器和瓦斯传感器采集到的数据传给DSP，DSP对采集温湿度及瓦斯浓度进行数据处理，然后将处理的各种参数数据由以太网传给上位机，由上位机做出判断。经过对系统电路的测试可知温度的测量精度可达0．1℃，湿度测量精度达1%RH，瓦斯监测精度可达1%，且控制方便安全可靠，对保证煤矿井下的安全生产具有一定的推广价值。

［1］Chan K，Ito H，Inaba H．Remote sensing system for near－infrared differential absorption of gas using low－loss optical fiber link［J］．ApplOpt，1984，23(19):415－419．

［2］梁发强，曾志专，梁辛征．现代温室的单片机控制系统［J］．湖南工业大学学报，2007，21(6):64－66．

［3］卢丽君．基于TLC1543的单片机多路采样监测系统的设计［J］．仪器仪表与分析监测，2007(4):5－7．

［4］刘丰年．气体传感器测试系统［D］．哈尔滨:哈尔滨理工大学硕士学位论文，2003．

［5］Mccammon K．Alcohol－related Motor Vehicle Crashes:Deterrence and Intervention［J］．Ann Emer Med，2001，38(14):415－422．

［6］王宏智．基于嵌入式系统的Internet接入技术的研究［D］．大连:大连海事大学硕士学位论文，2006．

［7］裴清华．基于AT89C51单片机的蔬菜大棚控制系统［J］．计算机与现代化，2010(1):4－6．

［8］朱高中．IC 卡考勤系统设计［J］．渭南师范学院学报，2011，26(12):68－72．