基于物联网的矿井安全系统设计

邓 然，邵鑫宇

（哈尔滨华德学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

0 引言

能源是经济发展的主动脉，能源供应问题是制约经济发展的一个最为重要的因素，煤炭则是主要的能源之一。而在煤炭的安全生产事故中，瓦斯爆炸、一氧化碳中毒、粉尘爆炸、高温导致中暑等占绝大多数，因此提高煤炭的安全生产能力，实际上就是要减少甚至杜绝这些危险。基于上述考虑，设计一种能够对矿井内环境实时监测的系统具有十分重要的意义 。本文通过对单片机技术及传感器技术的研究，并结合煤矿行业的需求，可以对矿井内的瓦斯浓度、一氧化碳浓度等进行监测，提高了煤炭作业过程的安全性与可靠性，降低了事故发生率。

1 系统组成及工作原理

该矿井安全系统可以为煤矿工人提供安全保障，减少人员伤亡和经济损失。它可以实时监控矿道内的甲烷、一氧化碳浓度，当超过标准浓度时，发出声光报警，并且通过无线传输技术将各个传感器数据传输到井上上位机，从而保证矿井内的安全生产。具体分为三大模块，分别是检测模块、控制模块和输出模块。检测模块包括MQ-4甲烷传感器，MQ-7一氧化碳传感器，DS18B20温度传感器，可以对矿道内的气体含量进行监测；控制模块采用AT89C51单片机作为主控平台，控制整个系统的运行；输出模块包括LCD显示屏，通过LCD显示屏可以实时看到当前的温度，甲烷和一氧化碳浓度等数据，当数值超出阈值时，蜂鸣器会发出警报，上位机拥有一个传感器数据监测平台，可以实时监测矿道内各个传感器的数据，并且可以设置监测参数的阈值和极限值。

2 系统硬件设计

本设计集成了甲烷信号检测、一氧化碳信号检测、温度信号检测、射频发送与接收、声光报警等多个功能模块。本系统应用于监测矿井下环境，整个系统是由多个温度传感器、甲烷传感器、一氧化碳传感器和一个系统主机构成的，可确保井下作业人员的人身安全。

2.1 主控模块设计

本系统的核心控制部件选择的是AT89C51，其工作电压是3.3V。AT89C51的作用是完成系统的核心控制功能，其基本工作的最小系统包含3个部分，分别是用于复位电路、电源电路和晶振电路，晶振电路为系统提供的工作频率是12MHz[1]。AT89C51一共有40个引脚，其中通用IO口共有32个。根据系统的设计需求，IO口分别与显示模块、温度传感器、一氧化碳传感器、NFR905等部件相连，从而构成系统的整个硬件电路。

2.2 温度传感器模块电路

该系统的温度传感器采用的是DS18B20。DS18B20除了集成温度传感器之外，还包含配置寄存器、64位的ROM以及温度报警触发器TH和TL。用户可以通过设置TH和TL来设置温度报警的上下限阈值。DS18B20输出的信号是数字信号，因此其抗干扰能力相比其他传感器要更强，其测量范围为-55℃～125℃，完全符合本系统的设计需求。由于每个DS18B20内部都有唯一的序列号，因此，同一总线上挂接多个DS18B20温度传感器也不会引起读取混乱。

2.3 甲烷检测模块电路

矿井内最常出现的一种安全问题是瓦斯爆炸，瓦斯是一种混合气体，组成瓦斯气体的主要成分就是甲烷，该系统中通过实时检测甲烷的成分，来达到预防瓦斯爆炸的目的。因此，系统中所选的气体传感器是甲烷传感器MQ-4，MQ-4由于其稳定性高、使用简单、方便调试以及标校可靠等特点，被广泛应用在煤矿安全系统中，MQ-4采集到甲烷气体后输出的是一个模拟信号，因此需要经过AD转换，将模拟信号转换为数字信号，再进行进一步的数据处理。MQ-4一共包含6个引脚，本系统中，1、3、5引脚连接VCC，2、6引脚连接到模数转换电路的输入端，4引脚连接GND端。

2.4 一氧化碳检测模块电路

矿井中煤炭燃烧以及煤尘的爆炸都会产生一氧化碳气体，所以通过监测一氧化碳的含量可以检测矿井中的燃烧和爆炸事故。本系统采用MQ-7气体传感器检测矿井里一氧化碳的浓度，MQ-7具有灵敏度高、寿命长、成本低、驱动电路简单等优点，广泛应用于对一氧化碳气体的检测环境中，如家庭用气体泄漏报警和工业一氧化碳报警等。MQ-7气体传感器包含6个引脚，该传感器没有输入，只有输出，由于输出信号为模拟信号，因此输出需要连接模数转换电路。

2.5 报警电路设计

当按键设置好甲烷浓度、一氧化碳浓度、温度的上限值，单片机就进行循环监测，时刻监测温度、甲烷浓度和一氧化碳浓度，并和报警上限进行比较。本次报警电路主要分为两部分，分别是蜂鸣器报警和灯光报警。声音报警电路采用的是蜂鸣器，在正常供电的情况下，蜂鸣器就可以发出报警的响动。本系统中的报警电路由3部分构成，分别是电阻，PNP型三极管和蜂鸣器，PNP型三级管的作用是为了放大单片机所提供的电平信号，以保证蜂鸣器能够正常工作。

2.6 通信模块电路设计

矿井下和地面上的无线通信是通过NRF905无线通信模块完成的，NRF905包含两部分，分别是数据发送端和数据接收端[2]。该模块通过串口SPI和核心控制器单片机AT89C51相连，NRF905的工作电压为3.3 V，一共包含32个引脚，其中用于配置NRF905的工作模式的引脚分别是TRX_CE和TX_EN。NRF905一共包含4种工作模式，分别是典型ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式、掉电模式和STANDBY模式，ShockBurst TX模式、典型ShockBurst RX模式分别用于完成NFR905数据的发送与接收过程。NRF905在工作过程中，数据包的具体情况可通过配置TX-Payload和TX-Payload完成。

3 软件系统设计

软件系统设计部分主要介绍系统各个功能模块的软件工作流程，软件设计是整个系统功能实现的基本保证，根据系统需求和不同硬件电路采取不同的算法和数据结构，确定每个模块的输入、输出和实现过程。

3.1 甲烷浓度检测程序设计

当甲烷传感器采集到当前的数据后，会将当前的甲烷浓度信息通过转换显示在LCD显示屏上，通过设置甲烷浓度的报警上限，来进行甲烷浓度的阈值检测报警，当甲烷浓度超过上限时，开启蜂鸣器然后进行报警，继电器开始工作，控制所连接的设备开关进行开启，NRF905发送数据。

3.2 一氧化碳浓度检测程序设计

系统上电复位后，一氧化碳传感器内部先进行初始化，然后检查有无外部中断产生，若有中断，处理外部中断，若无则开始采集数据。当一氧化碳传感器采集到当前的数据后，会将当前的一氧化碳浓度信息通过转换显示在LCD显示屏上，通过设置一氧化碳浓度的报警上限，来进行一氧化碳浓度的阈值检测报警，当一氧化碳浓度超过上限时，开启蜂鸣器然后进行报警，继电器开始工作，控制所连接的设备开关进行开启，NRF905发送数据。

3.3 温度检测程序设计

开启开关电源后，温度传感器开始工作，首先将温度传感器放置在空气中，然后进入温度监测子程序中，温度传感器将空气中的温度转换成电信号进行输出，单片机接收到数据后进行计算，之后显示在LCD1602液晶显示器上。DS18B20数字温度测温模块首先初始化，然后读取DS18B20数字温度测温模块序列号，之后进行温度转换，随后复位DS18B20数字温度测温模块，若无中断，则读取数据，若有中断则继续回归到复位操作。

3.4 无线通信程序设计

首先各个硬件开始初始化，先进行NRF905通信模块的初始化，然后初始化各传感器，之后各个模块开始工作，实时检测温度、气体浓度，并进行相应的报警操作。数据发送成功后，清零发送使能位，进入下一次数据发送循环。数据接收部分的程序负责接收数据，接收到的数据通过串口发送到上位机中进行存储和处理。

4 结语

本系统主要用来实时监测矿井内的作业环境，可及时发现矿井中一氧化碳浓度、甲烷气体等超标问题，若发生上述问题，可通过无线通信方式快速通知矿井上人员，及时作出相关救援。本系统操作简单，快速有效。此外，本设计还存在着一些不足之处。例如：可以改进无线通信方式，据调查显示，自2018年起，井下已有手机信号，可通过GSM技术发送短信给地面救援部队。2019年井下已经实现WiFi覆盖，连接WiFi也可以与地面上位机进行通信。