基于物联网的煤矿粉尘浓度监测系统的设计

郭春雨

（华北科技学院，河北 廊坊065201）

粉尘是煤矿五大灾害之一，粉尘会影响井下工作人员身体健康、浓度达到一定值会引发粉尘爆炸也会缩短机器寿命。随着煤矿机器化大幅度提高，粉尘危害在煤矿企业工作中带来的问题日益突出。为防止粉尘带来的危害，其浓度值的准确测量十分重要。人们最近几年对粉尘检测技术一直都比较关注。世界各地对粉尘检测都做了大量的研究工作，研制了许多粉尘检测仪器，但都无法克服上述难题，我国对粉尘检测和防治技术与国外发达国家尚存在一定的差距。基于称重法的粉尘浓度采样器检测精度最高，但需要经过一系列复杂采样、称重、烘干过程，所有更不能实时反映粉尘在井下污染状况。物联网技术的很快发展为粉尘监测提供了新的技术研究方向，基于这样研究现状而设计了基于物联网的粉尘浓度监测系统。

1 硬件设计

该基于物联网的粉尘监测系统是以5G 技术和工业以太环网为基础网络，利用Zigee 技术做终端采集部分，利用5G 和以太网技术等构建的“有线+无线”粉尘物联网信息感知系统，从而建立井上/下高速信息网络平台，其主要特点是采用环行总线结构，兼容井下无线传输节点、多种数据传输模式。实现井下数据被远程技术人员随时随地的了解从而避免粉尘危害的发生。其系统结构如图1 所示。

图1 基于物联网的粉尘监测系统结构

1.1 粉尘传感器节点设计

本项目粉尘传感器系统主要由电源电路、CPU 电路、无线收发模块电路、LCD 液晶显示电路、按键电路、信号检测电路和粉尘传感器探头电路等组成，其结构示意如图2 所示。单片机实现键盘输入、LCD 显示、粉尘浓度检测、无线通信的控制等功能。该模块具有检测精度高、性能稳定可靠、结构紧凑、使用方便等特点，通过实验室功能测试，工作稳定。

图2 粉尘传感器节点

1.2 粉尘传感器的选取和CC2530 无线收发模块设计

本设计采用的采用传感器为ZH03BMOKU 模块，利用米氏射散原理对井下粉尘颗粒物进行精准检测，对小颗粒分别直径0.3μm，测得数据准确、响应及时、功耗较低。通过图3 中CC2530 芯片的7 引脚和8 引脚分别接传感器的采集数据的模拟信号，再将电信号进行放大检波变成模拟直流信号，直流信号经AD 转换数字信号经单片机进行处理得出出实时的粉尘浓度值。

图3 CC2530 无线收发模块

设计的CC2530 核心电路如上图3 所示。CC2530 芯片有一个32.76KHz 低速晶振，本系统电路中，使用两个负载电容C23和C24 以及32MHz 晶体振荡器构成32MHz 晶振。可以在芯片为睡眠状态时关闭芯片内部的部分电路，并以极低的频率工作，使芯片的功率损耗降到最低。CC2530 自带射频功能，所以不需要外接额外的射频芯片。27 脚和28 脚是射频收发引脚，接2.4GHz 无线收发电路，由电容和电感组成滤波器。antenna 是天线，本系统在PCB 设计中选择倒F 天线设计是一种非平衡天线，所以需要用电容、电感来达到最佳传输效果

2 软件总体设计

基于ZigBee 无线传感器网络的粉尘检测模块采用Keil 软件编程设计，本次设计程序由主程序、按键输入模块、参数标定模块、液晶显示模块、粉尘测量模块和ZigBee 无线通信模块等。单片机启动在液晶屏上显示开机信息保证机器正常工作，然在硬件上进行设置，分别设定标定和测量的两模式。“标定”模式下，单片机在按键控制下采集标定曲线数据，为粉尘浓度等参数的精确测量提供基准参考数据；在“测量”模式下，单片机进行采集、计算、显示测量结果，最后将测量结果通过CC2530 无线收发器传送给协调器节点，并由协调器节点统一将信息上传光纤环网，远程供监控计算机分析、处理。系统软件主程序流程如图4 所示。

图4 主程序流程图

3 系统调试

系统总的调试主要包括硬件调试和软件调试，硬件上主要是采集模块和移动节点的调试，采集模块主要针对采集准确度的调试，节点硬件大部分都是数字电路，调试比较方便直观，出现硬件故障也少。软件的调试主要包括各模块的调试、数据采集测试、协议栈的测试、数据存储部分调试。对同一测试点位多次测量取平均值保证数据的准确性。图5 是最终实物图，通过粉尘探头采集当前环境的数据，采集的数据在节点上显示出来，并通过ZigBee 无线功能将数据传到上位机。

图5 硬件电路图

结束语

在消化吸收了国内外先进的粉尘监测技术的基础上，综合利用单片机技术和传感器监测技术、无线通信技术及信息处理技术，设计了基于物联网的粉尘监测系统，实现了对井下粉尘浓度参数的实时、可靠监测，监测数据自动上传，危险数据的及时上报和处理，克服了传统粉尘有线监测系统存在的诸多不足。