无线传感器网络技术在煤矿通风机监测系统设计中的应用研究

陈 炜，张 莹

(渭南师范学院 物理与电气工程学院，陕西 渭南 714000)

能源问题直接关系到国家社会经济发展的命脉，甚至会威胁到国家安全。煤炭资源是我国能源结构体系中非常重要的构成部分，为了维系社会经济发展，我国每年都要开采大量的煤炭资源供人们使用[1]。煤炭大多在矿井中开采，开采时会涌出很多有毒、有害和粉尘等危害性物质，威胁矿井人员的身体健康甚至生命安全[2]。煤矿通风机可以不间断地向井内输入新鲜空气，将井内危害性物质排出,是确保煤炭生产安全的重要措施和手段，为了确保矿井绝对安全，通常要求通风机24 h不间断工作，对通风机运行过程的稳定性和可靠性提出了非常高的要求[3]。为了达到以上目的，需要设计监测系统对通风机的运行状态进行实时监测。传统的监测系统使用电缆对信号进行传输，在实践应用中暴露出了很多缺陷[4]。研究基于无线传感器网络技术来构建通风机监测系统，与以往的有线电缆模式相比较展现出了很大的优势。对于提升矿井通风机运行可靠性、确保煤矿生产安全具有重要的实践意义。

1 监测系统总体方案设计

1.1 通风机的主要结构

煤矿中通风机是保障煤矿生产安全的重要机电设备，主要作用是向矿井内部输入新鲜空气，对井内的环境进行调节，保障井下工作人员的身体健康甚至生命安全[5]。矿井中经常使用的对旋轴流式通风机结构如图1所示。由图1可以看出，通风机主要由电机、一级和二级叶轮、集流器、扩压器、整流罩和消声器等部分构成[6]。此类型结构设计的能耗相对较低、工作效率高，具有很好的节能效果，在煤矿中的应用最为广泛。

图1 对旋轴流式通风机结构Fig.1 Structure of counter rotating axial flow fan

1.2 通风机主要监测参数

通风机监测系统需要重点监测的数据主要是反映通风机运行状态的数据信息，包括电机的电流与电压、定子温度、轴承温度及其振动情况、通风风量和负压等，通风机监测系统中传感器测量节点的分布情况如图2所示。可以利用电量变送器对电气柜中的电流和电压数据进行采集，并将其转换成为标准的输出信号，再利用无线网络节点将数据信息传输到工控机中进行分析。可以对风机两侧面的静压差进行检测进而计算获得通风机的风量，利用加速度传感器对通风机轴承的振动情况进行检测，利用温度传感器对关键部位的温度进行检测；当测量得到的振动烈度超过了装置的安全振动烈度的85%时，系统会向外发出预警，当通风机关键位置温度超过最高安全温度的85%后，系统向外发出预警。

图2 传感器测量节点的分布情况Fig.2 Distribution of sensor measurement nodes

1.3 无线通信网络

煤矿工作环境比较复杂，使用有线电缆对数据信息进行传输容易受到环境条件的制约，在工程应用中暴露出了一些缺点和问题。随着通信领域技术水平的不断提升，当前无线网络技术已经发展非常成熟，在很多工业领域得到广泛应用[7]。因此，本研究在建立通风机监测系统时，采用无线通信网络技术对传感器采集获得的数据信息进行传输，可以更好地适应煤矿复杂的工作环境。当前能够实现无线通信的技术有很多种，常见的包括WLAN技术、UWB超宽频技术、ZigBee技术、蓝牙技术以及无线射频技术等[8]。不同的技术各自有其优点和缺点，适用于不同的工业场合。在分析不同无线通信技术特点以及矿井实际情况的基础上，选用ZigBee技术来搭建无线传感器网络。ZigBee技术运行时的功耗和成本均相对较低，数据传输的速度虽然较低但完全能满足本系统实际工作需要，数据传输延时比较短，网络节点容量较高，可以存储更多的数据，最关键的是通信协议简单，具有较高的安全性。

1.4 通风机监测系统的总体结构设计

设计的矿井通风机监测系统主要由传感器、传感器节点、ZigBee协调器节点、监测计算机等部分构成。其中，传感器包括电量变送器、负压传感器、振动传感器以及温度传感器等。基于ZigBee技术的网线网络包含2类节点，分别为传感器节点和协调器节点，前者的任务主要是对传感器检测得到的数据信息进行初步整理并将其向外发送，协调器节点的作用是实现与传感器节点之间的通信，并作为外部系统的接口，整个ZigBee无线网络可以实现数据信息的发送、接收及其与上位机之间数据信息的交互。

基于无线传感器网络技术的煤矿通风机监测系统整体结构如图3所示。系统中利用温度传感器对通风机和电机的轴瓦温度进行检测，利用振动传感器对风机轴承垂直和水平方向的振动情况进行检测，利用负压传感器对通风机的负压和风量大小进行检测。协调器节点与监测计算机之间利用串行接口进行连接实现数据交互。传感器节点有多个，协调器节点只有一个，它们之间构成一个星型网络结构。监测计算机中安装有监测预警软件，可以对传输过来的数据信息进行处理和分析，一旦发现通风机的状态数据超过了系统设定的安全阈值，会立即向外发出安全预警，以提示工作人员及时进行处理。

图3 通风机监测系统整体结构示意Fig.3 Overall structure diagram of ventilator monitoring system

2 主要硬件设计

2.1 主要传感器选型

对于监测系统而言，传感器是非常重要的基础硬件设施，需要利用传感器对通风机各种状态信息数据进行实时采集，采集的质量和效率会对监测系统运行的效果产生重要影响。矿井通风机监测系统中结合实际情况选用的主要传感器的型号及相关参量。①监测指标：电参量、温度、振动、负压。②传感器类型：电量变送器、铂热电阻传感器、加速度传感器、微压变送器。③传感器型号：JD1940-BS4I、PT100、HS-421、B0300。④输出信号为4～20 mA。

2.2 无线节点模块设计

(1)ZigBee芯片选择。ZigBee无线网络技术是一个非常广泛的概念，可以结合具体应用情况选用不同的硬件设施，进而建立不同的通信方案。考虑到CC2430无线模块使用的是8051处理器，该型号处理器的面世时间比较长，经过多次产品的迭代研发，目前该处理器具有优良的性能。另外，8051处理器具有很好的兼容性，可以利用多种平台和语言对其进行开发，方便监测系统后续的软件程序编写[9]。CC2430无线模块处理器为8051，属于8位处理器，完全能够满足系统的需要，可编程闪存和RAM的大小分别为128 KB和8 KB，包含有最高14位的ADC转换器接口，可以同时与多个传感器进行连接接收数据信息。

(2)无线节点模块设计。选用的CC2430无线模块属于高度集成的芯片，芯片内部已经设置有大量的电路，包括ADC转换、实时时钟等。所以,基于CC2430无线模块开展无线节点模块设计工作时，只需在此基础上增加设置部分外围电路即可。CC2430无线模块原理如图4所示。

图4 CC2430无线模块原理示意Fig.4 Schematic diagram of CC2430 wireless module

2.3 传感器节点硬件设计

(1)传感器节点整体结构。监测系统无线传感器节点的结构如图5所示，整个传感器节点由多个部分构成。其中，利用负压传感器和振动传感器检测获得的数据信号，经过I/V转换电路处理后可以与CC2430主控芯片进行连接，温度传感器可以通过电桥测温电路实现与芯片之间的连接。CC2430主控芯片内部自带有A/D转换电路，上述传感器检测获得的模拟量数据信息传入到芯片内部后，可以利用该电路对模拟量数据进行转换，获得数字量信号后再进行处理分析。外部传感器接口的主要作用是实现传感器与主控芯片之间的连接。另外还包括按键控制模块、电源转换模块、天线接口模块等。电源转换模块的作用是对电压进行转换，选用的型号为BSD5-24D15，此模块中选用的转换芯片及放大器具体型号为LM2576和LM324。按键模块的作用是实现与协调器节点之间的通信控制，也可对无线传感器节点进行复位处理。

图5 无线传感器节点的结构框架Fig.5 Structural framework of wireless sensor nodes

(2)电压转换模块。传感器节点中包含有很多类型的硬件设施，不同类型硬件设施对供电电压的需求量存在很大差异。为了适应不同硬件设施的稳定工作基本需要，要求设计电压转换电路对电压大小进行转换，以便提供不同形式的电压。结合实际情况，设计的电压转换电路原理如图6所示。

图6 电压转换电路原理Fig.6 Principle of voltage conversion circuit

在通风机监测系统中负压传感器和振动传感器需要利用24 V直流电压对其进行供电，电源模块BSD5-24D15需要用15 V电压对地进行供电，其他硬件设施，比如CC2430主控芯片需要利用3.3 V直流电压对其进行供电。基于以上实际情况，监测系统利用24 V直流电压对整个系统进行供电，然后利用图6的电压转换电路将24 V电压转换成15 V和3.3 V电压，这样可以很好地满足不同硬件设施的供电需求。根据实际测试结果发现，利用该电路进行转换时可以将电压的输出精度控制在±1%以内。

(3)电流输出信号调理电路。为了满足监测系统的数据传输需要，针对每个无线传感器节点都设置有多路温度信号、振动信号和负压信号[10]。考虑到CC2430主控芯片ADC采样模块只能对数字量信号进行收集，但利用各类传感器检测得到的输出信号均为4～20 mA的电流信号。因此，需要设计监测信号转换电路将电流信号转换成为电压信号。监测信号转换电路原理如图7所示。利用该电流输出信号调理电路可以将4～20 mA的电流信号转换成为0～3 V的电压信号，进而被CC2430主控芯片进行分析与处理。

图7 监测信号转换电路原理Fig.7 Principle of monitoring signal conversion circuit

2.4 协调器节点硬件设计

监测系统协调器节点结构如图8所示。协调器节点中选用的主控芯片与传感器节点相同，即CC2430。还包括天线接口模块、调试接口模块、电源转换模块、串口模块、按键控制和LED指示模块等，其他模块全部与CC2430主控芯片连接。电源转换模块选用的适配器为5 V，需要利用电源转换芯片将5 V电压转换成为3.3 V电压，以便对主控芯片进行供电，其中电源转换芯片的具体型号为AS1117-3.3 V。RS232/RS485串口模块的作用是与监测计算机进行连接，实现与计算机之间的数据交互。本系统中串口模块选用芯片型号为MAX3232E，芯片正常工作时需要利用3.3 V的电压进行供电。基于RS323/RS485通信协议能够实现数据信息的高效传输，保证数据传输速率以及数据的安全和可靠。LED指示模块的作用是对协调器的工作状态进行指示，以便工作人员能够更好地掌握协调器的工作状态。按键控制模块的作用与传感器节点中的按键控制模块基本相同，就是对协调器与传感器之间的通信过程进行控制，并对各种硬件设施进行复位处理。

图8 协调器节点结构Fig.8 Structure of coordinator node

3 通风机监测系统软件设计

利用KingView 6.53软件对通风机监测系统的软件程序进行开发，利用该软件平台进行开发的主要优势在于可以实现图形化、可视化、直观化数据信息的展现，能够非常直观地对通风机运行状态数据信息进行显示。基于模块化思想对监测系统的软件程序进行设计开发，主要的画面包括数据信息报表界面、监测预警画面、监测报警画面。在通风机监测系统软件的预警界面中，可以看出整个画面主要由两大部分构成，分别为通风机监测示意图和通风机趋势曲线。预警界面通过数据及其随时间的演变曲线非常直观地展示各个节点的状态数据信息，工作人员通过预警画面可以实时掌握通风机各个节点状态的演变趋势。

报警画面的主要作用是一旦监测系统检测发现通风机某个位置存在安全隐患时，会通过该画面发出报警，同时对相关数据信息进行保存记录，以便后续查询使用。报警画面以弹窗的形式出现，同时伴随报警语音，工作人员对相关问题进行处理完毕后才能将报警画面确认关闭。数据报表界面包含2种形式，分别为日报表输出和查询报表输出。监测系统每天会自动生成日报表进行输出保存，重点对报警记录数据进行保存，包括报警次数、时间以及具体问题等。查询报表输出是根据工作人员实际需要针对性地输出数据信息。

4 应用效果

为了对上文研究的基于无线传感器网络技术的煤矿通风机监测系统的性能进行验证，将系统部署到煤矿工程实践中，并对其各项性能进行实践测试。结果发现，监测系统正式投入使用以后，各项功能均达到了预期效果，可以实时掌握矿井通风机的运行状态，彻底改变了矿井通风机处于半失控状态的局面。有了通风机的运行状态数据信息后，设备运维人员可以对这些数据进行分析研究，可以更加深入地掌握通风机的工作状态。更重要的是系统具备有安全预警功能，一旦发现通风机状态存在安全隐患时，会立即向外发出警报，提示工作人员及时采取有效措施进行处理，避免小隐患引发大的安全事故。总之，监测系统在煤矿通风机中的成功实践应用，不仅降低了通风机设备的运行故障率，为企业节省了一定的设备维护保养成本，产生了一定的经济效益。更重要的是提升了矿井通风机运行过程的稳定性和可靠性，为煤矿安全生产奠定了坚实的基础，创造了较好的安全效益。

5 结论

以煤矿中使用的通风机为对象，基于无线传感器网络技术建立了监测系统，所得结论主要如下。

(1)选用ZigBee无线技术构建无线传感器网络，可更好地适应矿井工作环境。监测系统利用传感器对通风机运行状态数据进行采集，通过传感器网络将数据以无线的形式输送给协调器，进而传输到监测计算机中进行分析处理。

(2)电量变送器、铂热电阻传感器、加速度传感器、微压变送器的型号分别为JD1940-BS4I、PT100、HS-421、B0300。ZigBee无线模块的传感器节点和协调器节点中使用的主控芯片型号为CC2430。

(3)基于模块化思想对监测系统的软件程序进行设计，监测系统的画面主要有实时监控画面、报警画面和数据报表画面，不同画面可以实现不同功能。

(4)将设计的通风机监测系统部署到煤矿工程实践中，取得了较好的应用效果，各项功能都得以实现，为煤矿企业创造了较好的经济效益和安全效益。