夏瑞凯

(晋能控股煤业集团和创实业发展有限公司，山西 大同 037003)

0 引 言

煤炭作为重要能源资源，其安全生产极为重要，为降低生产作业风险，需对生产流程精益控制，采用远程安全监控系统是解决此问题的有效途径[1]。煤炭井下环境复杂多变，加之空间狭小，传统总线式电缆传导信号的监控方式灵活程度低、拓展性能差、且发生故障查找困难，并有较大安全风险，极大的限制了其在煤矿井下等易燃易爆环境中的使用。笔者针对以上情况，通过对煤矿井下环境进行分析，得出线缆缠绕是当前主要症结，为达到煤矿设备安全稳定运行[2-3]的目标，因此需要设计一种基于无线网络的矿井远程安全监控系统。

1 矿井安全监控系统目标和要求

为有效确保煤矿井下生产安全进行，监控系统需要对生产中涉及到的各种开关量、模拟量进行实时采集处理，并完成声光报警和紧急处置功能。同时为确保煤矿井下环境安全可控，还需要对井下甲烷气体、风速等重要参数进行监测。各个信号汇聚节点将上传数据进行统一打包，并交由计算机处理。通过现场采集、无线传输和计算处理等三大技术结合，能有效掌握现场情况，做到实时监控、快速反应。相较于其他传输方式，ZigBee具有传输范围远、体积小、功耗小、易于组网等优势，便于实现井下无线传感网络拓扑的快速调整，安全性和便捷性较好，因此使用ZigBee网络。

2 监控系统整体方案设计

如图1所示，矿井安全监控系统主要由地面和井下两大部分组成，其中井下部分由安装在各处的传输模块、网络协调器、CPU、视频监控装置和矿用路由器组成，完成系统参数和实时影像的采集，此外矿用电源也是本系统不可或缺的一部分。传感模块则由电源、CPU及ZigBee发送装置CC2530芯片、甲烷传感器、烟雾传感器、风速传感器等众多传感器组成。

甲烷传感器采用GJC4型号，用于检测煤矿井下瓦斯浓度，其具备自动报警功能，在采集其数据的同时可以实现井下环境的快速判断；烟雾传感器采用GQQ5型号，用于检测因设备摩擦、绝缘老化等导致的烟雾等；风速传感器采用GFY15型号，用于检测回风巷口、风站、风机等关键部位的风速。除此之外，传感模块还可以链接温度、水位等传感器，支持0～5 V电平输入、4～20 mA电流输入、RS485等众多制式信号输入。

图1 矿井远程安全监控系统设计图

如图2所示，当众多传感器完成数据采集后，传感模块将相应数据进行打包处理，并通过ZigBee传输网络，传输给井下数据汇集节点CPU，联合井下设备状态传感信号、井下视频装置等，通过以太网模块W5500，经过矿用路由器进入以太网，将数据传到地面，由上位机实现数据筛选分析和视频解码播放功能。

3 远程监控系统硬件电路设计

3.1 CPU选择及以太网传输模块选择

为便于煤矿井下数据汇集节点快速处理，使用基于Cortex-M4内核的微控制器STM32F407，完成高速传感数据和视频数据处理，其组成模块如图2所示。

图2 CPU内部组成及以太网传输模块W5500

该处理器中，FSMC接口即灵活静态存储控制器，可以实现视频数据的灵活快速处理；USART通信端口在对应外部接口电路的支持下，可以完成串口通信和RS485通信；GPIO数据输入输出接口，则可以完成数字信号采集和对应继电器输出；SPI同步通信端口可以进行以太网芯片控制，通过连接RJ45以太网通信端口，可以实现全部控制信息的高速以太网传输。本系统中的数据采用W5500芯片进行传输。

为提高以太网传输数据准确性，采用内部集成TCP/IP体系架构的ICMP等网络协议的W5500芯片完成数据打包和硬件传输，其通过SPI接口与主控CPU完成控制信息和数据交互。需上传数据时，主控CPU控制芯片完成IP配置和TCP协议初始化之后，建立TCP连接，并将待传输数据发送给W5500，完成数据封装置后，经由主站设备传递给以太网。需要接收数据时，W5500在接收到地面传输的控制指令后，完成数据的解包处理，并传递给主控CPU，实现系统参数调整或紧急状态处置。

3.2 无线网络结构及ZigBee数据帧结构

目前常见的无线传输方式有WiFi、蓝牙、ZigBee技术等，其中应用到无线传感网络的通信技术为ZigBee技术和超宽带技术。超宽带无线通信系统基本组成如图3所示，主要由发射部分(调制器、脉冲发生器)、无线信道和接收部分(低噪放、RF滤波器、相关接收机)组成，当数据输入后，经由调制器联合载波脉冲将有用信号发射，经无线信道到达接收部分，实现解调、滤波和接收。

ZigBee技术协议由物理层、媒体访问控制层、网络/安全层、应用连接层、应用或组件层组成，其基础为IEEE802.15.4，并由ZigBee联盟开发安全层。众多使用无线传输方式的传感器构成了无线传感器网络，他们的基本功能是对其有效覆盖范围内的信息进行采集、打包、传输、处理，并进行汇总上传。

4 软件系统设计

4.1 传感数据汇集节点工作流程

为实现煤矿井下数据快速传输、煤矿井下传感数据汇集节点的数据处理流程至关重要，为便于进行数据处理，制定了如图4所示的工作流程。系统开始后首先进行设备初始化，而后通过ZigBee端口获取其协议器地址，进而获取甲烷传感器、风速传感器、烟雾传感器等众多传感器数据和当前设备启停状态数据，并进行判断，当其超过报警阈值时，进行声光报警和紧急处置。否则直接进行数据帧打包、获取当前视频数据，并完成以太网数据传输，从而实现地面系统的数据接收处置。

图3 无线网络结构及ZigBee技术协议组成

图4 传感数据汇集节点工作流程图

4.2 监测系统显示界面设计

为实现对煤矿井下系统运行状态的持续监测和直观显示，并进行状态预警等工作，利用上位机软件，绘制实现如图5所示的安全监控系统界面。

图5 安全监控系统界面

全界面共分为功能菜单、监控画面、数据曲线和当前状态四大部分，其中功能菜单部分实现含有当前支路、系统时间、监控画面等信息在内的数据保存功能、历史数据查询功能、采集周期及传输参数设置功能及后台系统维护账号登陆功能；数据曲线部分可以实现特定时间段、特定位置的风速和负荷曲线，以便直观观察数据变化情况；当前状态部分可以实现井下环境、监控设备、生产设备、其他设备等的状态判断，共有正常状态、告警状态和报警状态等3个状态。通过功能菜单的设置按钮可以在一定范围内对以上各个状态的阈值和变动范围进行设置，以适应工作面推进情况，从而更直观的掌握煤矿井下各个关键位置的状态信息，做到全方位的监测。

5 应用效果

在完成系统设计的基础上重点对其无线通信网络性能和整体报警性能进行测试，在实验室环境下完成蓝牙数据发送装置CC2530通信测试，采用点对点数据传送，节点距离1 m，延时时间计算:确认帧传输方式、非标准CSMA/CA 算法测得测试的数据分4 组。每组数据发送节点定时发送数据帧，帧长从12 字节到127字节变化。从试验数据来看，发送速度越快，帧越长，丢帧率也越高。无差错的稳定传输最大速度分别为149 kbps、190 kbps、202 kbps、207 kbps。在不同的发送速率下，能稳定传输的帧长分别为22 字节、52 字节、87 字节和117 字节。数据传输延时最长为11.6 μs符合数据传输要求。在完成蓝牙部分数据传输试验的基础上，通过对传输数据进行解码得到相关报警数据准确，报警功能正常，继电器等输出装置和信号工作正常。

6 结 语

在分析传统线缆式安全监控系统不足的基础上，利用传感器技术、无线数据传输技术和计算机技术，完成无线网络传输系统搭建。全系统以传感数据汇集节点CPU STM32F407为核心，利用以太网将地面设备与井下设备联合起来，在极大的提高了井下传感器移动的灵活性的同时，增强了地面上位机的监控能力，实现井下参数实时统计，画面实时可见，当井下出现异常状态时，能实现自动报警和处置，极大的提高了异常时间处置速度，满足了用户对安全监控系统的要求。