基于无线通信的瓦斯监控报警系统设计

2022-02-03徐荣丽张云颂刘昌宁

无线互联科技 2022年22期

徐荣丽，张云颂，刘昌宁

(江苏农林职业技术学院，江苏句容 212400)

0 引言

在矿井开采过程中，瓦斯事故的出现不仅威胁到工作人员的人身安全，还给矿产开采工作的推进造成了严重的阻碍。为切实降低瓦斯事故的出现概率，本研究以无线通信技术为基础，构建了更为灵敏高效的无线监控报警系统，对矿井内瓦斯浓度进行实时监控，能够有效保障煤矿开采工作的安全[1]。

1 瓦斯监控报警系统发展概述

1.1 瓦斯报警系统应用现状

在当前的煤矿开采工作中，瓦斯监控报警系统的应用在改善我国矿井开采安全状况、保障人员人身安全等方面发挥了极为重要的作用。早在2007年，为了降低瓦斯事故出现的可能性，国家就要求所有的煤矿矿井都要在开采前安装瓦斯监控系统，这一情况的出现给我国瓦斯报警系统的发展提供了有效的支持。但对我国煤矿瓦斯监控报警系统的具体应用情况调查分析后可以发现，虽然国有煤矿中超过5 200处的矿井安装了瓦斯监控设备，但大部分瓦斯监控设备已经较为老旧，存在维护不善、带伤运行等问题；而私有煤矿中瓦斯监控报警系统的安装率不超过50%，这给煤炭资源的安全开采带来了极大的隐患。近年来，随着人们对煤矿开采安全问题关注，煤矿瓦斯监控报警系统迎来了新一轮的更新换代与安装。

1.2 瓦斯监控报警系统存在的不足

对当前部分煤矿应用的瓦斯监控报警系统进行研究分析后可以发现，报警系统缺乏统一的通信协议、各安全系统处于相对封闭的状态、系统间的数据信息无法实现有效共享、系统未能实现更高级别的联网，无法实现对矿井内瓦斯浓度的实时监控，降低了瓦斯监控报警系统的应用安全性与可靠性。具体来说，当前大部分瓦斯监控报警系统的生产厂家所用的通信协议多为自身专属，市面上不同厂家的瓦斯监控报警系统很难实现通信协议的兼容，这增大了矿井内各类报警系统信息交流的难度。

1.3 瓦斯异常变化规律分析

在瓦斯事故出现前，矿井内往往会存在时间相对较长的瓦斯异常变化，并且瓦斯异常这一情况大多出现在矿井工作面掘进、采煤作业等环节当中。在当前的煤矿开采过程中，如果工作人员能够在瓦斯异常初期就了解到这一情况，并及时应用合适的处理方式对瓦斯异常变化进程加以管控，就能够切实降低瓦斯事故出现的可能性。但笔者对传统的矿井安全管控系统进行分析后发现，大部分矿井管理人员，只有在工作面或者回风巷中的安全监控系统下属的甲烷传感器检测数值超过预定值，并且断电较长时间后，才能发现矿井内部存在的瓦斯异常现象。比如，若矿井内每个地点的瓦斯体积从原本的0.01%迅速上升至0.03%，尽管变化率较大，但这一变化未必会引起管理人员的注意。同时，受部分甲烷传感器较为灵敏的影响，部分管理人员在对甲烷传感器进行校调时即便发现一些突变数据，往往也会将其当作异常数据而忽略。例如，管理人员在发现传感器测定的瓦斯体积分数突然从0.01%一下跳到标准体积分数2.00%时，第一反应大多是传感器出现问题，需要对其进行校调处理。这一情况的出现在一定程度上增大了矿井内部瓦斯事故出现的概率。现阶段，为了实现对瓦斯突变的有效判断，人们需要采取合理措施。首先，矿井管理人员应当提升对异常数据的关注度；其次，应用合适的无线传感网络代替传统的矿井安全管控系统，可以降低传感器信号传输过程中数据传输错误这一情况的出现概率；最后，管理人员应当明确传感器校调、瓦斯突变数据范围，以识别两者间的差异，并且应通过避免无效数据参与校调工作的方式，切实保障矿井综采工作人员的安全。

2 以无线通信为基础设计瓦斯监控报警系统的意义

近年来，为切实满足人们对煤矿资源的需要，煤矿井下综采作业的深度不断增加，尽管这在一定程度上提高了煤矿的开采效率，但瓦斯逸出、粉尘爆炸等问题出现的概率也在不断提升。这一情况的出现已经对综采作业的安全性造成了严重的威胁。面对上述情况，国家安全生产监督管理局公布了《煤矿安全规程》，要求在矿产资源开采过程中，企业必须安装监控系统。但部分煤矿安装的监控系统存在智能化水平低、网络布线较为复杂、维护难度大等问题，智能监控系统未能充分发挥自身的作用。现阶段，为切实解决上述问题，本设计以无线通信技术为基础，构建了一款更为灵敏、可靠的瓦斯监控报警系统。该系统能对当前矿井内部的瓦斯浓度进行精准测定，能及时将测定结果上传给相关技术人员，其成为能切实提升当前矿井瓦斯浓度管控工作质量的方式之一[1]。

3 以无线通信为基础设计瓦斯监控报警系统的方法

3.1 瓦斯监控报警系统设计思路

为切实提升当前煤矿瓦斯监测系统的安全性、高效性，在构建瓦斯监测警报系统时，本设计主要将无线传感网络应用于煤矿开采并以ZigBee与RS485总线为依据，构建了基于MESH网状结构的瓦斯监控报警系统。在实际应用过程中，该系统内部拥有多个瓦斯监控无线传感器节点，这些节点不仅可以对矿井内部瓦斯浓度进行采集，还能将自身收集到的信息通过总线传输给相关工作人员，便于工作人员对煤矿瓦斯浓度变化情况进行实时监控。

3.2 无线网络的设计

在实际应用过程中，无线传感网络主要是由一些功耗较低、体积较小并且具有数据信息采集、处理、无线传输功能的传感器节点组成。在实际使用过程中，节点主要由处理器、无线通信、传感器与能量供应这几个模块共同组成。其中，处理器模块是整个无线通信系统的核心模块，负责对各处传输的数据信息进行处理，并对整个节点系统的运转进行管控。无线通信模块主要负责联络其他节点系统，实现信息的交互。传感器模块在使用过程中负责收集检测区域内的信息，并将信息转化为电信号输出。能量供应模块负责为整个系统提供满足自身运转所需要的能量。

3.3 硬件系统的设计

该瓦斯监控报警系统的硬件系统主要由监控地点的传感器、地面监控主机、无线通信网络、LED显示屏、声光报警系统等部分组成。在实际设计过程中，系统传感器的采集节点主要由处理器的电路板与信号调理器电路板共同构成。其中，处理器电路板主要负责数据的存储与通信、信号调理器电路板则负责信号的采集与调理。在实际设计过程中，设计者可以用TI公司的cc2430芯片作为硬件系统采集节点的控制器与射频收发器，该芯片在实际使用过程中可以完成无线网络节点的实时通信。同时，传感器的采集节点的控制主要由8051内核完成，该内核与传感器相互合作，可实现数据信息的采集并可将矿井内的环境参数以电压电流、电阻等可测得的形式进行传输。

基于无线通信设计的瓦斯监控报警系统，要想进一步提升系统监测瓦斯浓度的准确性，选择合适的瓦斯采集传感器很有必要。本文在设计过程中所采用的瓦斯浓度采集前端为MJC4/3.0L载体催化元件，将载体催化元件接入煤矿瓦斯监控报警系统中，可以保证载体催化元件的效用得以充分发挥，如图1所示。在实际应用过程中，传感器可以通过热催化的方式实现瓦斯气体的探测。具体来说，瓦斯传感器内部含有催化元件，如果探头气室内并不存在瓦斯气体，那么瓦斯传感器的电桥将保持平衡，此时不会输出电信号；若探头气室内存在瓦斯气体，那么受热催化反应的影响，电桥将失去平衡，输出电信号，输出的电信号大小与气体浓度之间成正比例关系。需要注意的是，由于传感器输出的监测信号数值相对较小，单位为mV，这种情况不利于后续设备检测与操作，因此设计人员需要先将电信号输入到仪表放大器中进行放大处理，再对电信号进行A/D转换，以便微处理器将运算后的数据通过射频模块进行无线传输[2]。

图1 瓦斯监控报警系统硬件接口

在瓦斯监控报警系统工作过程中，载体催化元件传输的电信号相对较小，仅用这一大小的电信号进行信号通信，往往无法满足信号传输对于通信距离的要求。现阶段为切实解决上述问题，设计者可以通过对电信号进行放大的方式，增加信号的传输距离。在基于无线通信的瓦斯监控报警系统设计过程中，设计者可以在cc2430的基础上增加cc2591功率放大器，从而达到优化无线传感器网络通信功能的目的。

为了实现对矿井内部瓦斯浓度的实时监控，在构建基于无线通信的瓦斯监控报警系统时，设计者可以用模糊PID对主控芯片cc2430进行控制，并用P0_1输出所需波形，以此控制电路电磁阀的开闭。在电磁阀控制电路工作过程中，若矿井内的瓦斯气体浓度超过安全生产范围，那么电磁阀将关闭，抽排泵开始工作，将矿井内的瓦斯气体排出矿井。当矿井内的瓦斯气体浓度低于安全生产范围时，电磁阀打开，抽排泵停止工作。

基于无线通信的瓦斯监控报警系统硬件与显示屏以及声光报警器相连接，在实际工作过程中，报警系统会将载体催化元件传输的电信号信息集中投影到LED屏上，便于工作人员及时观测到矿井内瓦斯浓度数据。当传感器检测到的瓦斯浓度达到警报后，报警系统会将数据信号传输到地面主机，由主机发出声光报警信号，便于工作人员了解当时的矿井瓦斯浓度，并制定科学合理的解决方案，切实保证工作人员的人身财产安全[3]。

3.4 软件设计

在进行基于无线通信的瓦斯监控报警系统软件设计时，整个系统软件的开发环境为IAR Embedded Workbench，主要工作内容包括无线传感器网络采集节点与无线传感器网络接收节点这两部分的软件设计。其中，无线传感器网络采集节点在工作过程中可以通过瓦斯传感器对矿井内部瓦斯气体的浓度值进行采集，再通过RF模块接收节点传输的地址指令，最后由采集节点对地址信息进行判断，明确这一信息与自身设置的地址是否相同。若两者相同，则采集节点将采集到的瓦斯气体浓度信息通过射频模块传输给接收节点。为实现模糊PID控制电磁阀开闭的有效控制，设计者可以在设计无线传感器网络采集节点软件时，为其添加瓦斯浓度控制功能。在进行无线传感器网络接收节点软件设计时，无线传感器接收节点一方面可以通过串口接收上位机传输的指令，并将这一指令信息通过无线通信模块传输给无线传感器网络采集节点；另一方面可以接收指定采集节点发来的瓦斯浓度信息，并用数码管将浓度展示出来，同时还可以通过串口将采集节点发来的瓦斯浓度信息上传给上位机。若瓦斯浓度超过标准限制，系统则发出声光报警，提示管理人员瓦斯浓度过高。这种声光报警的方式，可以使管理人员切实了解到井下瓦斯浓度数据并及时掌握工作面瓦斯浓度的变化情况，以此为基础判断是否需要停止工作面的采矿作业，从而达到切实降低瓦斯事故出现的概率、提高采矿工作质量的目的。

考虑到基于无线通信的瓦斯监控报警系统在运作过程中每天产生的瓦斯浓度数据达上万条，若用户直接在原始时间数据上对瓦斯浓度异常情况数据进行挖掘，那么工作效率将比较低。现阶段，为切实解决这一问题，在构建基于无线通信的瓦斯监控报警系统软件系统时，用户可以以时间序列为基础，对瓦斯浓度数据进行分析。同时，为进一步提高瓦斯异常情况监控的准确性，在构建瓦斯警报系统时，设计者可以先对当前导致瓦斯报警系统发出警报的数据特征进行分析，并以此为基础建立初步甄别瓦斯浓度异常报警信号的数学模型，以基于模式特征的K-近邻检测算法为基础，对瓦斯报警类别加以甄别，降低数据对瓦斯参数信息异常报警信号的干扰，由系统自动排除不符合报警规律的瓦斯数据异常信号，从而达到提高系统工作准确率的目的[4]。

3.5 系统运作方法

在实际应用过程中，基于无线通信的瓦斯监控报警系统可以通过安全监控系统中心站软件完成对瓦斯浓度的判断。具体来说，该系统的软件具有校调识别功能，可以自动过滤传感器检测到的无效数据，同时该系统在应用过程中可以将检测到的数据信息与瓦斯浓度异常警告信号模型进行比对，在发现瓦斯浓度异常后，及时发出声光警报，并将当时的瓦斯浓度用显示屏展示出来。为了保证该瓦斯报警系统能够正常运行，矿井方面可以通过专门组织工作人员对监控报警信号进行全天监控的方式，在保证矿井瓦斯浓度有效管控的基础上，由监控人员依照工作程序对瓦斯异常情况进行判定，在通知相关领导人员、施工人员的同时，按照相关规定与领导指示对矿井作业活动进行通风、停产、撤人等处理，从而为矿井作业活动的安全推进，以及作业人员的人身安全提供保障。

3.6 应用效果

本文设计的基于无线通信的瓦斯监控报警系统以ZigBee与RS485总线为参照，以MESH网状结构为基础，构建了适合煤矿矿井中瓦斯浓度勘测工作的瓦斯监控报警系统。由于给水系统在设计过程中，内部安装了多个瓦斯监控无线传感器，这些传感器在实际工作过程中，承担着测定矿井内部瓦斯浓度测定以及将测定结果传输给相关工作人员的重任。由于这种瓦斯报警系统在构建过程中应用了高精度的敏感元件并可以通过总线实现信息的远距离传输，因此这款瓦斯警报系统是一种瓦斯浓度数据测定较为准确，操作难度偏低的一种瓦斯浓度监控报警系统，可以实现矿井内部瓦斯浓度的实时监控，从而为矿井安全监测工作朝着数字化、现代化可控管理方向的推进提供了有效的支持。

3.7 应用实例

某公司将该瓦斯监控报警系统应用于某煤矿作业面，并对其应用效果进行为期3个月的考核，由工作人员集中对这3个月内产生的13 075条瓦斯报警数据进行甄别，并将甄别的结果录入到数据库中，对语句分析统计结果加以查询。应用实践发现，在这些警报数据中，程序甄别的瓦斯超限警报共有927条，识别为传感器校调的信号数量为10 860条，识别为干扰故障的为1 288条。工作人员对这些程序报警信号进行识别后发现，瓦斯超限报警中信号中实际为瓦斯超限的信号仅有94条，剩余为校调、故障信息误判，程序识别为传感器校调的记录。经人工检查发现，这些信号均为校调信号，程序识别为干扰故障的信号。有1 127条为干扰故障信号，剩余为校调误判。经统计，本报警识别系统识别正确率达到了92%，因此在矿井瓦斯报警过程中，该瓦斯监控报警系统有着较高的应用价值[5]。