煤矿瓦斯安全监测系统的设计方法及实现路径

煤矿瓦斯安全监测系统的设计方法
及实现路拎
□倪兴u,张开加'仇海生、秦兴林U
1.煤科集团沈阳研究院有限公司.辽宁抚顺 113122
2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122
摘要：文章从煤矿瓦斯安全监测系统设计思路分析入手，提出煤矿瓦斯安全监测系统的设计方法及实现路径期望通过本文的研究能够对煤矿井下生产安全性的提升有所帮助。

关键词：煤矿；瓦斯；安全监测系统；设计
0引言
瓦斯足与煤层相伴生的…种物质，甲烷足其主要成分，无毒、易燃易爆。

在煤矿井下〖1:大灾害中，瓦斯的危害程 度最大，一旦发生瓦斯爆炸.轻则会造成矿井坍塌、生产 中断，严®时会导致大量的人员伤亡。

正因如此，使得煤 矿井下瓦斯监测成为一项非常重要的工作。

借此下面就煤 矿瓦斯安仝监测系统的设计方法及实现路径展开分析探讨:
1煤矿瓦斯安全监测系统设计思路
从国内各大煤矿应用的瓦斯安全监测系统来费，大部 分采用的都是[业总线技术。

由于井下采掘作业面不断向 纵深方向发展.使得有线系统的布线难度随之增大，不m 会浪费一定的资源，而且还会形成潜在的安全隐患所以
开发一款a于无线的煤矿片f瓦斯安全监测系统a得尤为 必要。

近年来，无线传输技术以其自身所具备的诸多应
用优势得到快速发展，如功耗低、实时性强、可长距离传 输、能够自组网等，随着无线传输网络的逐步完善，其已 经开始取代有线网络，在监测领域中得到越来越广泛的应 用z lgb ee作为新一代的无线通丨〖技术，它的应用优势非 常明显，如便于布控、可靠性高、组网成本低、安全、实
用等等鉴于此，下面基于Zigbee无线传感网络对煤矿 瓦斯安全监测系统进行设计开发
2煤矿瓦斯安全监测系统的设计方法及实现路径2.1系统架构设计
为满足煤矿对井下采掘作业面瓦斯实时监测的：要，设计开发一套基于Zigbee无线传感网络的瓦斯安全监测 系统，该系统采用的是三G架构体系，包括节点数据采集 层、数据信息通信层以及控制中心管理层。

借助布设在煤 矿井F巷道内的监测节点，对瓦斯的浓度进行实时采集，并将采集到相关信息传给井下C A N总线，随后转至监控 数据中心库，供瓦斯超限报筲使用"1。

在本系统中，井下 瓦斯监测节点的设计是重点环节，下面就监测节点硬件和 软件设计及实现路径进行分析。

2.2瓦斯监测节点硬件设计
为更加准确地对煤矿井下危险性区域内的瓦斯浓度进 行监测.设计无线传感器网络节点，其最为突出的特A是 能够对一个区域内的多个目标进行同时监测。

为了降低能 耗，引入节点休眠机制，以此来达到延长网络监控周期的 目的。

2.2.1处理器芯片
瓦斯监测节点处理器的主要功能是对传感器进行控制，在选择时应当以低功耗、微型化、传输速度快、经济性高 的产品作为&选，通过对市面h比较常用的处理器芯片性 能进行对比后，并在充分考虑井下瓦斯监测实际需求的
情况下，最终选取某公司自主研发的C C253U处理器芯片, 这足-款能够用于Z lghe e的应川系统.通过该处理器芯片,只需要投入较少的成本.便可构建网路节点：该芯片可以 相对较低的速率、功耗以及成木和超高的运行可靠性，执 行井下瓦斯浓度监测管理任务，利用节点休眠机制，可大 幅度降低网络能耗，无线传感器的监测周期随之得到进一 步延长，给煤矿井下生产作业的安全性提供了可靠保障|21。

88/ 矿业装备MINING EQUIPMENT
2.2.2能量供应
在对井下瓦斯数据进行采集和传输的过程中，需要消 耗一定的能量，保证能量的可你供应显得非常ffi要。

由于 监测节点的运行环境在井下，考虑到环境的限制，决定采 用干电池进行能量供应。

为实现节点低功耗运行，应当设 计一条与系统运行相符的稳压电路。

在对该电路进行设计 的过程中，选用的芯片为SPX1U7,为处理器供电的输出 电压选择3.3 V和5 V:之所以选用这款芯片，主要是因 为它具备输出电流大、电压精度高、稳定性好等特点。

同时为消除电路运行的噪声，在输出端加装一个电容。

2.2.3瓦斯传感器
在煤矿井下瓦斯安全监测中，对于无线监测系统而言, 最为重要的环节是瓦斯浓度信息的采集与转化。

设置在井 下的瓦斯传感器能够对如下区域内的瓦斯浓度进行实时监 测：采掘作业面、进风/回风巷逍等，并对相关信息进行 采集和转换。

由于需要将采集到的井下瓦斯浓度信息转化 为电信号进行传输，所以确保电信号的稳定性与可靠性非 常重要。

鉴于此，采用红外吸收光谱，对瓦斯中的甲烷浓 度进行检测。

在煤矿井下环境中的传感器应当具备良好的 抗干扰性和较高的灵敏度，经过对比后，决定了选用红外 甲烷传感器MH-440D.这是一款智能型传感器，它的体 积比较小，通过非色散红外原理探测瓦斯，选择性好、稳 定可靠|31。

2.2.4总线接□
C A N总线以其自身所具备的诸多特点，在煤矿数据 传输中得到广泛应用。

为降低瓦斯安全监测系统的开发成本，并进一步提升系统的运行可靠性，选用某公司的 8051系列单片机作为总线接口模块的控制处理芯片。

该 芯片可对C A N控制节点进行全面兼容，为在C A N上进 行通信提供了便利，最高速率可达1Mbps,能满足使用 需要。

信号收发器芯片选用的是C A N专用T JA1040,其 抗千扰能力强、传输速度快。

2.3监测节点软件设计
监测节点硬件设计为井下瓦斯安全监测提供了基础，软件设计则是监测得以顺利实现的根本保障。

具体的设计 方法与实现路径如下。

2.3.1固定节点软件运行流程
在煤矿井下各个区域内布设的同定节点，构成了瓦斯 数据采集的网络主干，除了能够对与瓦斯有关的数据信息 进行实时采集外，还能显示位H坐标。

固定节点处理器程 序设计是重点环节。

由瓦斯传感器采集到的数据，经A/D转换器，会被转化为电信号，依托射频装置，可将这部 分数据传至汇聚节点上。

依据监测节点硬件的情况，对软 件运行流程进行设计。

当固定节点加入到网络当中后，会 先向汇聚节点发送相关m,并在一定的周期内处于对井 下瓦斯进行监测的状态，可对瓦斯浓度进行实时采集，转 化为电信号之后，传至汇聚节点。

当固定节点空闲时，为 降低能耗，在休眠机制下，节点会自行进入休眠状态，直 到下一轮被选举上才会重新激活在对节点软件运行流程
进行设计时，加入周期时间启动器，并将周期时间设定为 3 mm。

当汇聚节点将相关的瓦斯数据传输给监控中心的 服务器后，工作人员便可将这些数据与报臀阈值进行比较,从而快速获得井下某个区域内的安全状况.当判断存在瓦 斯险情时，便可及时采取有效的措施进行防范，如加大风 机的通风址等H l,并及时通知区域内的人员快速撤离现场，为安全生产提供保障。

2.3.2移动节点软件运行流程
井下布设的移动监测节点具备定位追踪和监测瓦斯的 功能，此类节点的软件运行程序设计方法如下：工作人 员进入到井下作业区域后需要先加入到网络当中，随后将 自己当前所处的状态及1D发送给汇聚节点，此时监测节 点会启动时间周期，处于周期内的节点，会对周围环境的 瓦斯浓度进行采集，并将相关信息传给汇聚节点，最终将 信息发送到监控中心，当值的工作人员通过这些信息，可 判断瓦斯情况，为井下人员安全生产提供保障。

3结语
综上所述，煤矿井下瓦斯监测是一项非常重要的工作, 与生产安全密切相关。

为提升监测水平，可基于？!^^
无线传感器网络技术，构建瓦斯安全监测系统。

该系统 能够对井下瓦斯进行实时监测，可使煤矿生产安全得到
保障t M
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