张聪慧

（天地（常州）自动化股份有限公司 ，江苏 常州 213000）

0 引 言

煤矿安全是工业生产中的首要要务，目前我国煤矿生产中引发的安全事件主要是由于井内瓦斯含量所引起，导致有众多煤矿工人安全得不到保障。为了能够提高煤矿工人安全生产的目的，提升井内瓦斯监测技术势在必行，因此监测瓦斯浓度的变化是保证煤矿安全生产的重要方式。目前催化剂燃烧的热敏感元件监测方式是一种主流的煤矿瓦斯监测技术，但是该类型监测方式往往在信号传输中存在很大的不稳定性，另外还存在难以维护与安装，对干扰作用难以抵抗等缺点[1-2]。而针对无线传感器所构建出的网络因其拥有较强扩展性能，因此文中采用将无线传感器网络与矿井环境相结合的方式完成瓦斯监测系统的构建，通过矿井内实验表明该监测系统在对瓦斯浓度的监测中具有准确监测，可扩展性强的优势，从而有效提升了矿井安全保障。

1 Zigbee和RS-485通信技术结合下的瓦斯监测系统

Zigbee无线传感器网络是基于IEEE8.0的一种组网简单便捷的通信网络，目前主要应用于家居和工业设计场合中，因此文中将该技术引入到煤矿开采过程中对瓦斯浓度的监测功能中。对于井下所部署的无线传感器节点，其可通过通信相互交互的方式完成对数据的交换，然后在中转节点将所有监控数据上传到中心站，从而实现远程对矿井内部瓦斯浓度的监测；站点工作人员可通过观测瓦斯浓度的采集数据的变化，通过信息反向传输的方式完成对传感器节点的参数设定进行远程调整及校验。

1.1 监测分站设计

矿井内部无线传感器瓦斯监测系统中，其核心是对底层监测中的具有信息收集功能的监测分站的设计。该系统的组成包含有中心控制模块，对输入/输出功能进行设定的控制模块和模拟量的输入驱动结构。

开关量输入/输出驱动模块。

文中对采集到的输入信号的整理与过滤分别选取的芯片为40106和4007。其中首先通过40106实现对输出通道的整理，继而使用2003完成对输入信号功率的放大。其结构如图1所示。

1.2 无线传感器节点设计

Zigbee无线传感器网络中的各节点之间的通信组成了一个有多跳功能的网络结构，该多跳网络结构呈现出较强的自组织性能和扩展性能，运行可靠且易部署的优势，因此非常适用于煤矿工业生产环境，进而形成针对矿井工作环境下的瓦斯监测系统。

图1 开关量输入/输出驱动模块电路

瓦斯监测节点中的结构主要包含有特定传感器，电源单元，控制及网络通信模块。对瓦斯浓度的监测通常选取1R14BD传感器，该传感器因采用非发散性红外技术从而具有功耗低特点，可监测的距离为[0,100%]LEL，此外红外散发等所需的电流及电压值分别为50mA和3V，热电单元可同时对瓦斯浓度和气体进行检测，通过控制单元可完成对其内部动态参数的校验；电源的供电方式可选取电池供电或外接源两种方式。在工程设置中外接电源供电方式为第一选取方法；通信及控制模块是基于JENNIC-5149进行设计的，该模块所需电流及电压值分别为37mA和3V，在传感器不工作的状态下所需电流仅为26mA；模块内部的无线通信网络是基于32位RISC-CPU协议，同时集成了192Kb的ROM，96kB的RAM和4个12位的ADC单元，从而在一定程度上提升了对瓦斯浓度监测的能力与准确率，采用RS-485作为系统的总线接口,另外考虑到距离参数对系统性能的影响因此采用了2个UART，其具体的结构如下图2所示。

图2 其瓦斯传感器节点系统结构图

1.3 无线传感器布置

我国对瓦斯传感器布置要求中已强调其应设定在回采工作面中的上隅角；另外在煤与瓦斯突出工作面中的重要位置同样也需要外加入传感器；在巷道内部以固定[500m,1000m]距离值处添加传感器监测节点，同时要保证在拐弯处的外侧传感器位置距离工作面较远。对于弯道附近的传感器节点由于当其距离大于70m时会极可能出现大于15%的丢包率，而在水平直线的巷道内部即使距离值大于500m也会很少产生丢包现象。故对于传感器节点在煤矿中的布置，对于弯道附近的节点要确保其可视性，水平巷道内的观测节点距离的布置可相应的增大。

2 瓦斯浓度监测与动态补偿

IR14BD瓦斯传感器的工作时基于红外测量技术实现的，该传感器可根据红外光的吸收能力从而算定瓦斯浓度值。此外环境因素中的线性补偿是由满量程线性与零点线性组合而成。在操作过程中需要首先对系统内部所设置的传感器节点测量进行零点补偿操作，其计算方法为：

式中：Act0为正常环境下的热电检测器检测峰值，单位为mV；Ref0为正常环境下的参考热电检测器的检测峰值，单位同样为mV。此外JENNIC-5149中的ADC功能主要是实现对模拟量转化为数字量。满量程校准参数公式为：

式中：Actspa为满量程条件下的输出值，单位为mV；Refspa为参考输出值，单位为mV；α、n为对传感器的补偿因子；C为气体浓度值，单位为vol。可采用JENNIC-5149控制单元实现尽可能减少因外界因子给传感器带来干扰，β和γ分别为透光系数与校准补偿因子。该两部分的计算公式为：

式中：Act为代补偿峰值，其运算单位为mV；Ref为代对输出峰值的参考量，其运算单位为mV。因此在γ补偿情况下的校准计算参数为：

式中：γ为系统内部的补偿因子参量；T为表示检测发生时的井内环境温度；为校准操作下的环境温度，其单位均为℃。

瓦斯浓度计算方式为：

3 系统程序设计

3.1 无线传感器节点程序流程

文中基于JENNIC-5149所设计的无线传感器单元能够完成自检、监测瓦斯浓度变化的实时变化、无线自组网、超阈值数据报警及校定等功能。该系统的流程结构如图3所示。

图3 无线瓦斯传感器程序流程图

3.2 地面程序主要功能

无线传感器汇聚节点完成对各节点的信号进行收集后并将其转发至地面监测系统，然后通过自组网及互联网的联通完成监测与控制，该系统所包含的功能有：

1）对煤矿井内所部署的各个传感器节点分别进行参数设定及配置，完成在指定位置的装设。

2）根据地面所接收到的浓度值大小对其变化进行图形绘制，同时也可以记录当前监测数据以供后续统计与分析。

3）以在线通信的方式对所采集的各个节点信息值进行记录。

4）通过以太网连接方式完成传感器节点数据到值班室的上报，同时对超出阈值的数据报警显示。

3.3 应用结果

根据《煤矿安全生产规程》中的相关条例：当采掘工作面中0.5范围内的瓦斯浓度监测值大于2%时需对现有工作均暂停运行。基于JENNIC-5149控制单元所设计的瓦斯检测传感器的检测精度范围为0.005～0.020。该精度类型的传感器目前适用于煤矿生产场景。

表1 系统监测数据

4 结束语

与传统有线传感器不同，无线传感器可在降低成本的前提下对所有监测区域的检测信息进行无线监测与信号传输；此外由于红外传感器因其具有低消耗、长寿命、可调性强等特征因而可实现对瓦斯浓度的实时监测，从而满足对矿井安全进行监测的需求。