基于无线传输技术的新型煤矿瓦斯监控系统设计*

高瑞江

(中阳县应急管理局，山西 吕梁 033400)

0 引 言

煤炭是我国重要的化石能源，煤矿开采井下环境比较恶劣，长期处于多尘、潮湿、电磁辐射环境中，伴随着瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体的存在，近年来，瓦斯事故频频发生，给煤矿造成严重的经济损失。随着煤矿开采深度和难度的不断增加，煤矿的开采区时常发生瓦斯中毒、瓦斯爆炸、瓦斯涌出等事故，瓦斯事故已经占到煤矿事故的80%以上，由于瓦斯事故造成的煤矿工人死亡人数占到总人数的90%以上，为此，对煤矿井下的瓦斯进行精确检测并进行及时报警，对于避免瓦斯事故和保证煤矿安全生产显得尤为重要[2]。

传统的煤矿井下瓦斯监控系统是通过在煤矿井下铺设大量的电缆，将有线传感器接入井下电网，对某个区域内进行瓦斯的检测，有线通信方式主要存在的问题有[3]：①受巷道环境限制，布线非常复杂，劳动强度比较大，铺设电缆需要大量的人力和物力，布置不灵活，甚至会出现某些地方布置不到的问题；②只有布置有电线的位置才能够进行监控，所以容易出现监控的盲区或存在监控不到位的情况，容易引发煤矿瓦斯事故；③通信线路需要进行定期维护和检修，实际的维护成本较高，甚至出现故障需要进行维修，成本比较大；④线路维修频繁，耗费的时间较长，影响煤矿的生产效率和年产量，企业效益将会降低，企业生存压力较大。

笔者提出了利用无线网络和传感检测技术，打破传统的煤矿井下铺线的局限性和设备严格要求性，实现对煤矿井下检测装置的自由布置，避免了传统的布线耗费人力，使得瓦斯监控系统的布置更加灵活，所开发的友好人机交互界面实现了煤矿井下瓦斯浓度的可视化监控，及时报警，有效避免煤矿瓦斯事故发生。

1 瓦斯监控系统设计要求和参数

煤矿井下环境比较复杂，长期处于多尘、潮湿和电磁辐射等环境中，在煤矿井下空气中包含有大量的有毒有害气体，如一氧化碳、瓦斯、硫化氢等气体，为此需要要求监控系统具有良好的防潮、防湿、防爆和防辐射的性能。

根据目前国内煤矿领域制定的《煤矿安全管理规程》中的要求[4]，可以得到煤矿井下气体安全指标如表1所列。

表1 煤矿井下有毒有害气体检测技术指标

根据表1煤矿井下环境气体检测指标，对煤矿井下瓦斯监控系统的设计提出如下设计要求：

(1)安全性和稳定性要求。瓦斯监控系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统要能够适应煤矿井下复杂多变的工况，具有防尘，防爆和防腐蚀的结构特点，硬件系统的网络传输不受地理条件的影响，保证网络正常传输。

(2)监控系统管理和维护的方便性。根据井下复杂工况，瓦斯监控系统需要定期进行维护和保养，对于某些关键零部件需要及时进行更换，为此需要保证监控系统便于进行管理和维护。

(3)由于煤矿井下巷道空间资源有限，使用无线网络技术实现信号传输，避免布线和复杂安装，利用上位机进行多点集中监控和管理，反应报警时间满足浓度检测指标要求。

2 基于无线传输技术的瓦斯监控系统方案设计

根据瓦斯监控系统的设计和参数要求，需要从硬件结构和软件系统方面保证瓦斯监控系统的性能和特性，图1所示为基于无线网络技术的瓦斯监控系统总体方案布置图。

图1 煤矿瓦斯监控系统组成

瓦斯监控系统主要四层内容，第一层为智能感知层，第二层为信号传输层，第三层为数据智能分析层，第四层为上位机监控与报警层，每一层由不同的功能模块组成，如图1所示。智能感知层是由各种智能小型传感器组成的无线传感器网络，由随机分布的非常小的传感器的节点通过自组织的形式进行搭建，构成了内置的多种传感器组，完成对煤矿井下瓦斯进行实时感知、检测和采集信号的功能；第二层是信号传输层，将采集到的信号进行处理，并且利用无线传感网络进行传输；第三层为数据智能分析层，将传输到的数据利用中央控制器进行分析，包括使用PID智能控制方式，确保瓦斯浓度保持在一个稳定范围之内，当瓦斯浓度超标时会发出报警和提醒；第四层为上位机监控层，主要是用于显示煤矿井下瓦斯的浓度值，一段时间内某个区域内瓦斯的变化趋势，利用可视化技术实现瓦斯浓度的动态显示，并且自动生成历史记录，自动生成报表记录瓦斯浓度的变化情况，便于后期进行分析。图2所示为基于无线传感器网络的瓦斯监控系统总体方案原理图。

图2 基于无线传感器网络的瓦斯监控系统总体方案图

如图2所示，监控系统总体方案主要包括井上和井下，井上主要是监控中心，井下是利用无线传感器网络的采集节点和接收节点。实现对煤矿井下瓦斯信号的采集和传输，无线传感器网络的接收节点也位于井下分站，是星型网络的中心节点，通过搭建如图所示的监控系统方案，将从井下采集到的瓦斯信号上传到井上进行监控，避免人员进入煤矿井下，有效保证工人的健康和安全。

3 瓦斯监控系统硬件设计

3.1 传感器选型

瓦斯监控系统装置是监控系统的核心，是将物理信号(瓦斯浓度)转变为电信号的关键部件和环节，用来对煤矿井下瓦斯浓度进行检测。此次设计的瓦斯监控系统瓦斯采集单元选用KGS-20瓦斯传感器，这是以二氧化锡作为基本敏感材料，用于对可燃气体浓度检测的一种半导体传感器，保证采集瓦斯反应时间较短，灵敏度高，响应速度快，功耗低。如图3(a)所示为KGS-20瓦斯传感器实物图，图3(b)所示为瓦斯传感器接口电路原理图。

KGS-20瓦斯传感器是专门用于可燃性气体检测的一种半导体型的传感器，该传感器可以输出电流信号、电压信号以及频率信号，由传感器决定了监控系统的电流信号为1～5 mA，电压信号为0～5 V，频率信号为200～1 000 Hz，电信号输出传入到处理器中对参数进行辨识。

图3 KGS-20瓦斯传感器及电路图

从图3(b)瓦斯传感器接口电路原理图中可知，瓦斯传感器的探头位置安装有内部催化元件，当探头位置无瓦斯气体信号时，此时电桥处于平衡状态，当瓦斯探头感应到瓦斯气体时，电桥将会失去平衡输出一个与环境中瓦斯浓度呈正相关的一个检测电信号，由于煤矿井下实际环境中的瓦斯浓度较小，需要首先使用放大器AD623对采集到的信号进行放大，随后通过CC2430微处理器进行A/D转换，最后将运算得到的结果利用RF射频模块进行无线传输。

3.2 无线传感网络系统组成

此次提出的煤矿井下环境中，需要实现多点布置瓦斯传感器并且需要实现中心控制，使用无线传感器网络术可以有效提高识别的精度和监控管理水平，图4所示为无线传感器网络硬件结构组成。

图4 无线传感器网络硬件组成结构

由图4可看出，无线传感器网络硬件主要由多个瓦斯传感器的采集节点、接收节点和瓦斯监控计算机组成，将多个传感器检测节点利用无线通信方式形成了一个网络系统，实现对数据的集中处理，最后将数据上传到地面监控中心，每一个瓦斯传感器网络节点都是微信嵌入式系统，采用该项技术可以实现最大化的利用宽带，降低设备的体积。

4 软件系统设计与监控系统

无线传感网络接收与采集节点采用嵌入式IAR Embedded Workbench集成开发环境，利用IAR Embedded Workbench提供的框架，可以将其他的工具完整进行嵌入，主要适用于大量的8位、16位和32位的微处理器和控制器，有助于用户在实际开发新项目时能提供非常熟悉的开发环境，可以直接使用大量代码生成某些环境和特征，提高工作效率，节省大量工作时间。煤矿瓦斯监控系统的整个软件系统均是在IAR Embedded Workbench中搭建，首先无线传感器网络采集节点一方面是通过将瓦斯传感器采集到的气体浓度值，通过RF模块接收从接收节点发来的地址指令，所有采集节点对地址信息是否一致进行判断，当一致时候就会将采集到的瓦斯气体浓度通过RF射频模块发送给接收节点；另一方面，无线传感器网络节点设计了瓦斯浓度的控制系统，利用模糊PID控制瓦斯的浓度，整个采集节点的软件执行流程图如图5所示，通过对发送与接收模块进行判断，确定是否发送或接收成功。

图5 无线传感器网络采集节点工作流程图

无线传感器网络接收节点有两方面内容，一方面是通过串口接收来自上位机的控制指令信息，并且将控制指令信息利用无线通信模块发送给无线传感器的网络采集节点，采集节点对信号进行处理和分析；另一方面，是需要接收制定的某些采集节点发送来的浓度信号，需要对信号进行初步计算和分析，最终通过数码管显示，上位机操作界面也需要显示，并且当瓦斯的浓度超标时需要进行声光报警提示。

5 应用效果

所设计的基于无线传感网络技术的瓦斯监控系统，在硬件系统设计和软件系统设计中搭建了无线传感器网络新型瓦斯监控系统，通过现场应用和实验，从瓦斯浓度的准确度、瓦斯响应时间、结构特点和传输特点等方面进行对比，得到如表2所列的对比结果。

表2 传统监控系统与新型监控系统应用效果对比

从上表的分析结果可知，此次设计的基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监控系统从识别的精度和响应时间上均优于传统的瓦斯监控系统，具有显著的优势，可以实现煤矿井下大范围推广和应用。

6 结 语

煤矿瓦斯事故是影响煤矿安全生产的突出事故类型。针对传统的煤矿井下瓦斯监控系统存在的布线繁琐、响应速度慢、识别浓度精度低等问题，利用最新的无线传感器网络技术设计了新型煤矿井下瓦斯监控系统，完成了监控系统硬件系统和软件系统设计，当瓦斯浓度超标时将会触发声光报警系统，提示在某区域正在作业的人员，疏散人员实现安全生产。通过现场应用和对比分析可以得出，采用本套新型瓦斯监控系统，可以实现无线传输，瓦斯浓度检测精度为0.001，系统布置更加灵活，节省企业的劳动力成本，智能化水平更高，有效避免煤矿瓦斯事故发生，提高煤矿的安全生产水平，该项研究成果也为其他环境参数的无线检测提供了案例参考。