矿井瓦斯浓度监测报警系统

矿井瓦斯浓度监测报警系统设计

一、研究背景与意义

近年来，我国煤矿安全事故频频发生，尤其是重、特大伤亡事故屡见不鲜。造成了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失，在这些事故中，瓦斯爆炸占了绝大多数。传统的煤矿瓦斯监测报警系统大多采用有线方式进行监测，有线监测方式存在两方面缺陷：一方面，由于采用有线方式传输，系统对于线路的依赖性较强，在矿井内某些地方会存在布线困难的情况；另一方面，有线方式的煤矿瓦斯监测系统，当某些结点出现故障，就会导致监测区域内局部地方失去监测功能。本文应用无线传感器网络技术，设计一套矿井瓦斯监测报警系统，此系统将矿井下作业区采集的数据信息，经ZigBee无线信道传输到瓦斯监控网关分站，然后再通过有线方式传到地面监控中心，进行监控与应急处理，能够圆满的解决有线方式监测系统所存在的问题，具有重大的现实意义。

二、国内外研究状况

目前我国普遍采用的煤矿瓦斯监控系统都是以工业总线作为基础，井下瓦斯监测系统与地面信息中心一般通过电缆或光纤连接，构成有线的通信传输网络，这些线路需要有专业人员建立和维护，若线路施工不及时就会造成瓦斯漏检。并存在以下缺点：

1.有线通信方式布线复杂，劳动强度高，同时铺设速度较慢，容易在建设初期形成安全上的盲点；

2.网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求;在煤矿实际开采过程中，经常需要对某一地区进行试探性挖掘，由于形成的探测巷长度事先无法预知，巷道随时可能废弃或者增加掘进深度，所以对于工业总线而言，其扩展性!灵活性存在不足，还容易造成资源的浪费，引起成本的提高；

3.监测点相对固定，容易出现监测盲区；

4.工作现场的通信线路容易破坏，破坏后的恢复周期一般较长；

5.通信线路维护成本高，造成部分煤矿出现边维护!边生产的违规现象，甚至有些煤矿干脆不维护。

综上所述，依靠有线监控系统实现对全矿井瓦斯参数的无缝监测还具有一定的局限性，不可避免地留下了大量的安全隐患。现有的有线监控系统较难达到对矿井瓦斯参数的动态全方位监测。并且，伴随着煤矿开采速度的加快，有线网络在覆盖率!扩展性!灵活性方面的问题更为严重。因此，需要在现有有线网络的基础上进行改造，以解决在矿井瓦斯监测方面的问题。

三、系统总体设计方案

整个煤矿瓦斯监测系统的网络结构主要包括地面监控中心、矿井瓦斯监控基站和无线瓦斯传感器节点三个部分。系统架构图和信号流程图如图1和图2所示。

图1 矿井瓦斯监控报警系统架构图

图2系统信号流程图

3.1 地面监控中心

地面监控中心有以太网交换机、系统主控计算机以及监控中心监测管理系统软件等组成。它对整个矿井下的瓦斯采集信号进行储存和处理，通过计算机可以显示井下工作人员所到之处的瓦斯浓度值，还可以采用软件进行可视化处理，当发生瓦斯突出泄露时可以找到准确的地点，及时通知井下工作人员撤离并进行调度指挥，保障井下员工生命安全。其他有权限的计算机通过浏览器可以调阅本系统的数据，便于信息共享。

3.2 井下瓦斯监控基站

井下瓦斯监控基站是井下无线数据传输的终点。瓦斯数据通过Zigbee网络在井下传输，最终被监控基站接收并上传。监控基站设置在巷道分岔口，各个工作面的关键部位，与地面监控中心有线连接，及时将数据上传。各井下监控基站与井下交换机之间的通讯采用以太网方式进行，保证井下的瓦斯检测的数据及时地传送到地面监控中心。

3.3 井下无线传感器节点

无线瓦斯传感器采集瓦斯信号，经过微弱信号放大电路，A/D转换后由单片机存储管理其数据。传感器采用定时输出、无线电发送方式。其核心电路由检测电路、放大电路、单片机、2.4GHz无线发射电路组成。该传感器有两种供电模式，当装置放在采煤机上时，由采煤机电源转换后的直流电源供电;当由矿井工作人员携带时，则由矿灯电源供电。

四、系统硬件电路总体设计方案

硬件系统主要包括无线传感器节点，瓦斯监控基站，交换机、地面监控中心计算机。如图3为煤矿瓦斯监测系统硬件总体架构图。其中无线传感器节点具有采集瓦斯浓度和无线传输数据功能，主要采用基于Zigbee技术的无线模块和红一外传感器组成，具备了移动采集瓦斯浓度的优势。瓦斯监控基站由具有路由功能的控制模块和Zigbee无线模块组成，是在无线传感器采集与传输系统及监测与管理系统之间一个无线传感器网络的主协调器结点，该结点的作用是实现两个系统之间的数据传输，相当于两个系统之间的一个网关结点。瓦斯监控基站通过交换机与监测管理中心进行通信，具有监测与管理系统功能，对采集与传输系统采集的数据进行分析处理，并根据实时监测数据所显示的需求对矿井内的执行器件发出相应的控制命令。

图3系统硬件总体架构图

瓦斯监测系统所传输的数据即瓦斯浓度数据，而且收集数据的时间可以有间隔，且数据简单，属于低数据率的传输，但要求系统能够长时间地工作。无线传感器网络和ZigBee协议的低数据率和低功耗的特点，以及网状拓扑结构对矿井下复杂地形的适应，满足了对系统的设想和要求，所以选用ZigBee的无线传感器网络来构建瓦斯浓度监测平台。

井下监测系统由无线传感器节点和瓦斯监控基站两部分构成。无线传感器节点包含无线红外气体检测传感器、信号调理模块、数据转换模块、ZigBee无线模块以及其它应用软件。信号调理模块根据变送器的类型有所不同，它实现将传感器信号调理到合适的范围输入至模数转换单元或者将数模转换结果调理之后送给执行单元。瓦斯监控基站包含ZigBee无线模块、应用软件、RS一232接口、网络接口模块等。

实时多任务管理模块：负责管理和协一调瓦斯监控基站中的各种任务，包括矿中站点的识别配置，用户的具体应用，它负责瓦斯监控基站中所有任务的调度。目前任务调度仍然采用了前后台的程序架构，为了提高程序的实时性，可以采用嵌入式操作系统的设计思想。

ZigBee无线模块：在ZigBee协议栈的基础上实现了无线的数据传送。

RS一232接口、网络接口模块：在瓦斯监控基站中具有，用于下位机与上位机通信的接口。

五、总结与展望

煤矿瓦斯监测报警是困扰煤矿安全生产的一大难题，目前我国普遍采用的煤矿瓦斯监控系统都是以工业总线作为基础，井下瓦斯监测系统与地面信息中心一般通过电缆或光纤连接，构成有线的通信传输网络，这些线路需要有专业人员建立和维护，若线路施工不及时就会造成瓦斯漏检。

基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测报警系统能够圆满的解决有线方式监测系统所存在的问题，具有极大的推广价值，拥有良好的市场前景。因此，无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用具有很大的现实意义。

随着信息技术日益发展，ZigBee技术将在煤矿安全系统等工业安全系统中占据重要的地位。无线网络的应用将提高整个系统的控制范围!加强网络的可扩展性!增加数据传输的灵活性。ZigBee技术的出发点是希望能发展一种低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。后续研究工作可从以下三个方面深入:

（1）ZigBee硬件平台的基础上，对协议栈中的路由及仿真，安全，进行深入开发。更加完善其在多设备同时要求转发信息的情况下，系统的实时性和安全性育昌进一步提高。

（2）在点对点的通信基础上，实现点对多点通信的硬件系统设计，在保证低功耗，高稳定性的前提下进一步缩小硬件系统的体积。

（3）在固定终端的无线通信模块上建议植入低容量的嵌入式操作系统，帮助系统资源的分配，也有利于整个煤矿安全系统的升级和扩展。