基于Wi-Fi网络的煤矿安全生产监测系统设计

2020年第9期2020年9月
煤矿安全生产对工作人员的生命安全、煤矿的稳定发展有着重大影响。

目前，中国大部分煤矿企业在矿井安全监测设备应用方面主要通过有线电缆进行数据传输，但随着矿井数量的增多、巷道的不断延伸，有线电缆的铺设难度加大，铺设成本渐渐增加，存在监测盲区。

此外，有线电缆在设备长期运行过程中容易因损耗而发生故障，致使对矿井局部区域失去监测功能[1-2]。

针对上述存在的问题，本文研究并设计一套基于Wi-Fi 网络的安全生产监测系统，终端节点监测设备配置无线Wi-Fi 模块，与无线AP （接入点）组成Wi-Fi 通信网络，实现了光纤以太网和无线Wi-Fi 技术的无缝结合，不仅可解决有线电缆布线难的问题，实现监测节点在井下的全覆盖，还具有抗干扰能力强、实时性好、性价比高等优点。

1煤矿安全生产监测系统总体架构与功能分析
基于Wi-Fi 网络的煤矿安全生产监测系统总体架构如图1所示。

整个系统以光纤以太网为主干传输线，以Wi-Fi 无线网络为延伸，形成有线主干与无线终端相结合的通信传输方式。

系统由上位机监测平台、矿用网络交换机、无线AP 、Wi-Fi 无线终端、煤矿终端监测设备五大部分组成。

其中，上位机与矿用网络交换机之间采用光纤以
太网有线方式进行信息传输，上位机负责对监测信息进行显示、存储，矿用本安交换机负责汇聚传输井下IP （网际互连协议）数据；无线AP 是Wi-Fi 网络的接入点，是Wi-Fi 无线终端与矿用交换机之间的无线传输中转站；终端监测节点设备负责对矿井工作环境进行实时监测，并将监测数据通过Wi-Fi 无线网络传输给井下AP ；无线AP 与多个Wi-Fi 无线终端组成井下无线网络，与多个终端监测设备相连，遍布井下各个地方。

图1基于Wi-Fi 网络的煤矿安全生产监测系统总体架构
2
终端监测节点设备硬件方案设计
2.1
硬件框图设计
终端监测节点设备硬件框图如图2所示。

终端监测节点设备由微处理器、Wi-Fi 无线通信模块、串口通信模块、人机交互模块、声光报警模块及传感器检测模块
收稿日期：2020-03-30
作者简介：马水源，1983年生，男，山西长治人，2008年毕业于中国防卫科技学院信息安全专业，助理工程师。

基于Wi-Fi 网络的煤矿安全生产监测系统设计
马水源
（山西高河能源有限公司，山西长治047100）
摘要：针对目前煤矿安全监测系统存在有线布线困难、建设成本大、稳定性差的问题，提出一种基于Wi-Fi 网络的煤
矿安全生产监测系统，并给出系统的总体架构。

硬件部分对终端监测节点设备和Wi-Fi 无线网络方案进行详细设计与选型，系统软件部分利用模块化设计思想对下位机程序进行编程设计，并给出主程序流程框图，同时设计相应的上位机监测平台。

目前，该监测系统已投入使用，运行效果良好，解决了矿井中有线布线带来的问题，具有一定的推广应用价值。

关键词：煤矿安全生产监测；Wi-Fi 无线网络；模块化设计中图分类号：TD76文献标志码：A 文章编号：2095-0802-(2020)09-0117-02
Design of Coal Mine Safety Production Monitoring System Based on Wi-Fi Network
MA Shuiyuan
(Shanxi Gaohe Energy Co.,Ltd.,Changzhi 047100,Shanxi,China)
Abstract:Aiming at the problems of the current coal mine safety monitoring system with difficulty in wired wiring,large construction cost,and poor stability,this paper proposed a coal mine safety production monitoring system based on Wi-Fi net-work,and gave the overall architecture of the system.To the hardware part,it designed and selected the terminal node monitoring equipment and Wi-Fi wireless network solution in detail.To the system software part,it used the modular design idea to program and design the lower computer program,and gave the main program flow block diagram,while designing the corresponding upper computer monitoring platform.At present,the monitoring system has been put into use,and the operation effect is good,which solves the problems caused by the wired wiring in the mine,and has certain promotion and application value.Key words:coal mine safety production monitoring;Wi-Fi wireless network;modular
design
（总第180期）技术研究
上位机
光纤以太网
矿用网络交换机
AP 无线接入点
AP 无线接入点
Wi-Fi 无线终端
Wi-Fi 无线终端
终端监测设备终端监测设备终端监测设备
Wi-Fi 无线终端
117··
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期2020年9月
构成。

其中微处理器负责对传感器检测单元采集信息进行处理，数据处理完成后通过Wi-Fi 无线通信模块传输到Wi-Fi 网络中；传感器检测模块包括CH 4传感器、CO 传感器、温湿度传感器、粉尘传感器，实时监测矿井中不同位置的环境参数；串口通信模块负责为微处理器与Wi-Fi 无线通信模块之间提供串口传输的通道；声光报警模块具有预警功能，当井下某一监测指标超限时会为井下工作人员发出警报；人机交互模块负责检测信息的显示与参数设置；电源管理模块负责为终端监测节点设备中的各个模块提供能量。

图2终端监测节点设备硬件框图
2.2
微处理器选型
微处理器选用意法半导体公司生产的STM32F103RC 单片机，该型号单片机外设丰富，功能强大，工作频率为72MHz ，非常适合矿井复杂恶劣的工作环境[3]。

其具有5个UART （异步串行通信协议）串口，为Wi-Fi 无线通信模块的串口通信提供条件；具备51个GPIO （通用I/O ）接口，为传感器检测单元、声光报警模块、人机交互模块提供硬件支持，这些模块将通过I/O 口与微控制器相连。

2.3传感器设计与选型
为适应井下的工作环境，对矿井环境进行精确监测，本节对传感器进行严格选型[1]：a)CH 4传感器。

选用型号为GJC4，可将CH 4气体浓度的测量值转换为标准电信号传输给单片机。

b)CO 传感器。

选用型号为MQ-7，该传感器通过自身电导率的变化将其转换为与气体浓度相对应的电压信号。

c)温湿度传感器。

选用型号为DHT11，是一款输出数字信号的温湿度复合传感器。

d)粉尘传感器。

选用型号为DSM501A ，它是一种利用光学原理检测漂浮在空中的微小颗粒的设备。

3Wi-Fi 网络硬件方案设计
Wi-Fi 网络由三部分构成：矿用网络交换机、无线AP 及Wi-Fi 无线通信终端。

矿用网络交换机是一种适合矿井监测信息数据转换的新型设备，这里采用KJJ33矿用网络交换机，通过光缆分别与上位机和无线AP 连接。

无线AP 采用具有PoE （有源以太网）功能的无线AP 设备，将以太网供电（PoE ）技术应用到了无线AP 设备中，只需安装1条电缆即可实现通信与供电需求。

考虑无线AP 覆盖的有效距离，本系统在安装过程中，
使无线AP 设备的部署距离保持在300耀400m 之间，这样可减少不同无线AP 之间的重叠区域，降低重叠区域引起的同频道干扰。

Wi-Fi 无线通信终端采用ESP8266Wi-Fi 模块，该模块体积小、功耗低、性价比高，可完成语音、图片、数据的发送。

ESP8266模块与STM32F103RC 单片机之间通过UART 串口连接并进行数据传输，单片机使用AT 命令（应用于终端设备与PC 应用之间的连接与通信指令）对此模块进行操作。

ESP8266Wi-Fi 模块能通过UART 串口读取矿井下传感器检测设备的数据，并实现无线网络与有线网络的数据交换。

4
系统软件方案设计
4.1
下位机程序设计
系统的下位机程序设计采用模块化设计思想，通过主程序调用子程序的方式来实现监测和通信功能。

由于采用STM32F103RC 单片机，故在Keil uvision4集成开发环境下采用C 语言进行编程开发。

主要包括主程序、CH 4采集节点程序、CO 采集节点程序、粉尘浓度采集节点程序、温湿度采集节点程序、声光报警程序、人机交互程序、Wi-Fi 无线通信程序、串口通信程序等。

图3所示为系统的主程序流程框图。

图3系统的主程序流程框图
4.2
上位机监测平台设计
上位机监控平台的监控界面通过LabVIEW 2017软件开发设计完成，它是一款图形化编程软件，只要按照上位机功能需求编程完毕后，在前面板便会出现相应的监测界面。

本系统的上位机监测平台包括用户登录窗口、人员管理窗口、系统参数设置窗口、网络参数设置窗口、传感器监测窗口、实时曲线生成窗口、历史数据查询窗口。

采用“选项卡”功能，将上位机的不同功能窗口设置于不同的选项界面，方便管理。

CH 4传感器CO 传感器温湿度传感器粉尘传感器
电源管理模块
微处理器
声光报警模块人机交互模块
串口通信模块
Wi-Fi 无线通信模块
传感器采集节点采集
参数和状态处理和显示采集节点采集参数和状态发送本节点采集参数和状态
采集结束
否是结束
设置环境参数上下限
获取参数参数设置命令
否
否
是是
采集参数命令
发送握手命令给远程服务器
采集系统初始化开始（下转165页）
118··
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能源知识
（上接118页）
图4所示为上位机监测平台软件系统框图。

图4上位机监测平台软件系统框图
为了对下位机上传的监测数据及用户登录信息进
行存储，在上位机平台增添了数据库功能，本系统采用的是SQL server 2005数据库，利用在数据库中建立不同类型的表格的方法，可将监测数据存放在相应的表格中，便于对历史数据进行查询。

5结语
以Wi-Fi 无线网络传输方式代替原有的有线电缆传输方式，研究并设计一套基于Wi-Fi 无线网络的安全生产监测系统，从终端监测节点设备硬件、Wi-Fi 网络硬件和系统软件三方面出发，对系统设计进行详细
阐述。

该系统可实现无线网络与有线网络的数据交换，
井下无需铺设电缆，部署方便经济，数据传输速度快，实现了矿井监测数据的无线传输。

参考文献：
［1］刘海芬.基于ZigBee 技术煤矿安全监测系统设计［D ］.秦皇
岛：燕山大学，2014.
［2］王桃.基于WIFI 的煤矿井下生产环境监测与预警系统研究［D ］.
西安：西安建筑科技大学，2013.
［3］马建云，袁斌斌，赵彬，等.基于Zigbee 无线传感器网络的煤
矿监控系统设计与实现［J ］.测控技术，2012(8)：83-86.
（责任编辑：高志凤）
煤矿安全监测系统上位机监测平台
SQL server 2005数据库
用
户登录窗口人员管理窗口
系统参数设置窗口网络参数设置窗口
传感器监测窗口
实时曲线生成窗口历史数据查询窗口
3.2
效果分析
注浆完成后，在2-1261巷4#点前35m 处布置围岩变形监测站进行注浆加固段围岩变形量的监测，监测期共60d ，结果如图2所示。

图2注浆加固后60d 围岩变形监测结果
由图2可知，2-1261巷4#
点前30~40m 范围内的
破碎带注浆完成后30d 内，顶底板移近量增加至25mm ，两帮移近量增加至14mm ，并且在30d 后基本稳定，围岩变形得到控制。

在此期间，没有锚杆索失效现象发生，注浆加固效果良好。

4结语
对注浆加固作用机理及注浆加固过程中注浆压力
与扩散类型的相互变化关系进行分析，得到浆液在围岩内部具有网格骨架支撑作用、充填裂隙与壁后充填加固的作用，注浆压力随浆液在裂隙中扩散有长期维持在低于设计压力的较小值、逐渐增大到极限值、先上升下降又逐渐增大至极限值、先上升后缓慢增大到极限值4种情况，且注浆压力扩散类型的4种不同情况可以有效指导现场注浆作业时调整注浆压力以达到良好的注浆效果。

结合干河煤矿2-1261巷4#点断层破碎带的具体情况，设计并应用注浆深度3m 、排距2.5m 的注浆方案，注浆加固后2-1261巷4#点前30~40m 范围内的断层破碎带得到有效控制，效果良好，可以保证该工作面的回采安全。

参考文献：
［1］张金才，刘天泉，张玉卓.裂隙岩体渗透特征的研究［J ］.煤炭学报，1997(5)：35-39.［2］谢文兵，陆士良，殷少举.软岩硐室围岩注浆加固作用与浆液扩散规律［J ］.中国矿业大学学报，1998(4)：76-79.［3］郑长成.裂隙岩体灌浆的模拟研究［D ］.长沙：中南工业大学，
1999.［4］邹金锋，李亮，杨小礼.劈裂注浆扩散半径及压力衰减分析［J ］.
水利学报，2006(3)：314-319.
（责任编辑：白洁）
30252015105
两帮相对移近量顶底板相对移近量
5
10
15
20
253035404550
55
60
65
注浆加固后时间/d
曹磊：断层裂隙带注浆加固机理分析及工程应用燃煤电厂等离子点火及其优势
传统的电厂锅炉点火方式是燃油点火，等离子点火是使用等离子体发生器和等离子体燃烧器，喷射出温度高达10000℃的等离子体射流点燃煤粉。

等离子体点火技术启停和稳燃的运行成本仅为燃油点火方式运行成本的10%~20%。

在锅炉点火初期实现无油点火，避免了使用燃油点火造成的大气污染，消除烟囱“冒黑烟”问题。

国家能源集团科环集团主导的高水分褐煤等离子体无油点火及稳燃技术在蒙能集团锡林热电厂300MW 机组成功投运，首次实现原煤水分介于36%~40%之间的高水分褐煤等离子体无油点火。

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