基于物联网的矿井探测系统研究

马　洁

(宝鸡职业技术学院，陕西 宝鸡　721000)

1　概　述

采矿行业作为危险性较高的行业之一，提升矿井安全性是国家相关安全管理部门对采矿单位的基本要求。然而对以往矿难的分析可得出，人为错误造成的损害占了较大的比例；问题主要在于工作人员对地下环境的不熟悉，从而在施工过程中出现透水、塌方等事故。通常在采矿开采管理过程中，井下检测作为下井前的必要管理过程，传统的方法是通过个人下井检测记录，并形成记录报告确定当前是否满足开采条件，该方式实时性较差，并且对于一些隐患问题很难觉察到，因此该方法虽然能发现以下前期的较大的危险源，但是对于矿井实时环境的检测存在较大的差异。随着科技的提升，特别是物联网技术的发展，利用多传感器检测矿井的实时环境状态，这样就能够为井上管理人员提供准确、实时的检测数据，为井下工作提供可靠的管理支撑[1-3]。

根据目前的估计，全球60多个国家和地区的矿藏开采过程中造成的人员伤亡有近2万多人，越来越多的国家意识到利用科技手段解决矿井开采过程中危险因素的辨识是降低矿难的最有效手段。本文利用物联网技术设计了一套矿井探测系统，该系统采用物联网技术代替传统的任务探测针，利用传感器、无线通信技术形成一个综合的矿井探测系统，为管理人员已经运行人员提供实时准确的井下数据[4]。

国内外对于矿井探测系统的研究已有了较大的成果。Henriques等人[5]建立了一套安全系统来监测采矿环境的环境特征，通过集成气体和灰尘传感器，对井下的开采环境进行实时采集，并通过无线传感器网络将数据上传，但是系统的准确度有待提高；通过远程监测矿工的健康状况更好地帮助事故发生后的搜救工作，开发了基于ZigBee的煤矿安全系统[6]；基于随机决策树模型，采用Hoeffding Bounds不等式和信息熵代替随机选择来确定分割点，并使用Hoeffding Bounds不等式检测概念漂移所确定的阈值构建了一套安全的传感器网络[7]；采用采用危害理论、系统安全和风险分析理论对评价指标进行筛选，采用层次分析法和均方误差法确定各指标权重，建立综合评价体系[8]；充分考虑了无线传感器网络的功耗问题，利用Zigbee模块提供低数据速率，以实现短覆盖和长电池寿命[9]；Pan等人[10]以焦作煤业集团物联网在焦作煤业集团的应用现状为例，给出了影响煤矿物联网可靠性的关键因素，并提出了建议。其他的相关研究均在物联网节能、组网以及传感器技术等方面进行了深入的研究，通过均结合煤矿的实际开采进行了案例分析。在煤企的安全建设资金的支持下，作者有幸参与了利用物联网的矿井探测系统的建设，主要在对相关的传感器原理研究的基础上搭建了该探测系统，文中以下内容主要对相关研究内容进行了详细的介绍。

2　系统设计

为了降低井下环境对采矿工人的身体的危害影响，利用基于物联网手段对井下环境进行实时检测，从而构建一套专业的探测系统完成职业健康和安全的保障，如图1所示为常见的危险因素转化的条件状态图。

图1　危险因素转换条件状态图

系统由温度，湿度，空气流量，CO/CO2，甲烷气体等传感器作为感知源，采用ARM7 LPC2138控制器板配置LCD 16×2显示屏实时显示检测数据，采用ZigBee模块与ARM7 UART接口，与PC/笔记本电脑的UART接口进行互连指令上传/数据下载，主要对物联网探测系统的硬件设计进行了详细的介绍。

2.1　系统硬件总体设计

该监控系统包含板卡(Arduino板卡，Xbee模块，Zigbee USB接口板卡)，LCD(液晶显示器)，各种传感器等小型电子元器件；系统使用两个光电耦合器形成全隔离的继电器驱动器，一个继电器用于在危险时激活警报系统，另一个用于在发生火灾或烟雾检测时提供水泵开/关控制。

ZigBee USB接口模块用于连接Xbee无线模块和计算机系统，该电路板用于连接ZigBee模块，以实现PC与PC或笔记本电脑，PC与机械装配或机器人，PC与嵌入式和基于微控制器的电路之间的通信。 由于ZigBee通过串行方式进行通信，因此连接到PC的USB的另一端，被视为用于串行通信的COM端口，同时配有指示灯，方便系统运行过程中使用。

通过利用板卡将温度传感器、湿度传感器、CO传感器以及瓦斯传感器等进行集成，以下将分别对各传感器的设计进行介绍。

2.2　温度传感器设计

探测系统的温度感测由LM35集成，插入信号调节模块以实现适当的温度线性测量，为了测量目的，温度块的输出电压被施加到Arm控制器的ADC1C0。温度传感器(原理见图2)对井下作业过程中是否存在内燃现象有最为直观的数据支撑。

图2　温度传感器实现原理图

2.3　湿度传感器设计

湿度传感器的典型电流为200 A，非常适合电池供电的系统。该传感器根据暴露于传感器的环境水蒸汽产生变化的电压，传感器产生的输出电压范围为0.8～3.8 V。湿度传感器对于井下是否发生透水前兆有着直接的数据支撑。如图3所示为湿度传感器的实现原理图。

图3　湿度传感器工作原理图

2.4　CO传感器设计

CO探测直接关乎井下矿工的生命安全，而对于气体的准确性测量一直是业界具有挑战性的工作，市场上有各种型号的气体传感器，而半导体传感器被认为具有响应速度快、稳定性高、成本低、寿命长、对湿度的依赖性小、功耗低、体积小等优点。传感器电阻与浓度以ppm(C)表示的CO气体由下式表示。

其中Rs表示传感器的电阻，R0是ppm为0时传感器的电阻，K是传感器的特定常数，C是以ppm为单位的气体浓度。

如图4所示为CO传感器的设计原理图，该传感器主要对矿井中瓦斯浓度数据进行实时采集。

图4　CO传感器工作原理图

2.5　空气流量传感器

空气流量传感器是基于开槽光学开关和3杯风速计的原理建立的。因此，该功能单元将分为两部分进行讨论，一部分用于设计和实现电子部件，另一部分用于设计和实现机械杯式风速计，如图5所示为空气流传感器的工作原理图。空气流量传感器主要对矿井下气流的实时状况进行检测，以判别是否存在通风不畅的情况。

图5　空气流传感器工作原理图

2.6　系统界面设计

系统按照远程检测的方式可通过界面控制的方式对各种传感器数据进行实时展示，具备以下特点：

1)使用的传感器灵敏度高，易于操作；

2)系统成本低，系统操作模式更为自动化；

3)闭环设计—防止任何外界干扰的机会；

4)低维护和低功耗；

5)通过对周围环境参数进行微小的改变，可以用于不同的行业领域；

6)提供一个用户友好的界面，因此技术功能更易操作。

3　结　语

无线传感器网络的应用将提升了煤矿的安全性，这是由于采用无线通信方式避免重新布线，提高了煤矿安全系统数据传输的性能和效率。本文主要介绍了矿井探测过程中利用物联网技术的主要架构，并对主要使用的传感器的工作原理进行了介绍，同时对每类型传感器在矿井检测过程中的用处进行了概述。