基于新型物联网的煤矿智能监控系统

高 丹（唐山工业职业技术学， 河北 唐山 063299）



基于新型物联网的煤矿智能监控系统

高 丹
（唐山工业职业技术学， 河北 唐山 063299）

摘 要：本文对基于物联网的煤矿井下智能监控系统的关键技术进行了探索，对当前煤矿井下监控系统不足提出适用于煤矿井下特殊性的新型物联网架构和智能控制方案。系统设计了ZigBee树型拓朴结构，同时结合环型工业以太网，从而提高系统的可靠性。煤矿井下智能监控系统将传感器监测的数据指标，通过新型物联网进行传输，采用智能控制做出控制决策的方案。该系统能很好的适应煤矿复杂的环境，具有一定的经济性、实效性。

关键词：物联网；智能控制；监控

0 引言

近年来煤矿井下安全事故频繁发生，防范事故是当前煤矿井下工作的重点。随着信息技术被广泛应用，井下监控系统起着越来越重要的作用，目前正在使用的这些系统大多数采用了有线布局，缺乏灵活性，智能化和集成化技术应用得较少，满足不了煤矿的日常需要，技术革新势在必行。

物联网是当前通信和网络领域中的研究热点问题。本文对煤矿井下智能监控网络平台关键技术进行了探索，提出的智能监控系统可以通过监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、风速、风压、烟雾、温度等指标，应用新型物联网架构的远程控制系统，对于各个监控点，可实现远程网络控制，可提高对各种情况的管理、监控、应急。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构

系统由远程监控层、环形以太网传输层、现场无线传感器网络传输层组成，包括基于ZigBee网络的无线数据采集子系统、工业以太网传输子系统、上位机监控系统3个部分，组成系统结构如图1所示。

图1　系统结构

1.2 系统的工作原理

基于物联网的煤矿井下智能监控系统，通过矿井现场的Zigbee节点采集多种无线数据，由网关传输到工业环形以太网的井下监控站，最后传输到上位监控主机，如图1所示。上位监控主机通过工业以太网接收井下监控站点发出的信息，根据现场具体情况选定、调节相关程序，对煤矿的工作形式做出运用后台的专家知识库进行智能决策。例如一氧化碳浓度及温度过高，可能发生矿井自然煤层起火或胶带运输带起火的事故，应给出火灾预警。

2 硬件电路设计

2.1 现场无线传感器网络传输层

为了保证煤矿正常的井下工作，需要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条件，如甲烷气体、一氧化碳浓度、氧气浓度、井下空气温度、岩煤温度、风速、风压、烟雾等。

为了实现这些功能，要在监测环节中添加硬件设备对相关的信号进行采集。

图2　监控环节的硬件设计

1)传感器

处于系统基层的是各个传感器，即甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、烟雾传感器、风速传感器、风压传感器、温度传感器等。根据煤矿的实际情况，将这些传感器放置被监测的位置。这一层选用了一系列符合中国中华人民共和国煤炭行业标准法《煤矿井下环境监测传感器通用技术条件（MT443-1995）》的煤矿专用传感器，如图3所示。

图3　传感器

2)数据采集器

在本监测系统中，数据采集器的主要作用是进行信息传输和数据处理。它不但对各个传感器传输信号进行A/D转换，并对传输的信号集中，将各个传感器的信息再通过RS-485/232串行接口可以将数据采集器输出的信息再传送给监控主机。

3)监控主机

各个数据采集器的采集数据由监控点的主机接收，同时显示及在线分析，对所有监测点的统一集中式监测管理。它完成的任务有四个：一是以循环的方式访问各个数据采集器，而且采集相应的数据；二是显示各个传感器分布图标明其具体位置；三是显示各传感器在一定时间段的变化曲线及实时数据；四是与主控环节的计算机实现交互。

4）ZigBee无线传感器网络

当前无线通信技术的飞速发展，ZigBee在无线短距离传输技术充分体现其性能特点和技术优势，而且，由于其近几年的价格下降，应用日渐普及，由开始时的军事应用更多的转向工业应用及民用。与Wi-Fi、蓝牙、UWB超宽带、NFC等几种无线通信组网技术的性能相比较，其在组网、功耗等方面有很大的优势，采用ZigBee技术组建的无线传感器网络具有容量大、兼容性好、稳定可靠等特点。

2.2 环形以太网传输层

工业以太网作为一种新兴的工业控制系统，在许多工业领域得到了广泛的应用。将工业以太网应用于煤矿，可以大大提高煤矿通信网的速度，环形工业以太网技术是基于以太网的发展起来的，在环形以太网中可以设置备用机，提高系统的可靠性。以太网传输层采用符合煤矿井下特点的阻燃千兆光纤作为传输介质，TCP/IP技术作为整个系统的通信标准，具有很高的数据传输速率和较强的网络适应性。

3 系统的软件设计

该系统程序设计基于C#平台，后台数据库的设计采用SQL Server2012。软件监控能够将采集模块传输上来的数据运用专家知识进行给出决策，防止事故的发生，消除安全隐患。

3.1 系统安全设置

系统安全设置是本系统安全工作的保证，操作人员在登录系统前要经过一系列的身份验证，在系统中设置登录密码，主控机相应的数据库文件中设置登录的操作人员姓名、操作人员口令与角色。其中角色设计可分为三个等级，分别是超级管理员、管理员、普通操作人员。远程用户通过无线网络，由登陆窗口输入密码即可进入系统，其具体操作的功能取决于用户的角色，如果是超级管理员可以具有访问所有系统功能，普通管理员可以对系统进行操作，但不能增加和修改用户的信息，普通操作员只能进行查看和浏览，不能进行决策操作。

3.2 智能控制的实现

主控机中存放着专家知识库，而知识库的质量直接影响系统质量，知识库中包括两方面知识：一种是基础理论和原理，另一种是基于直接经验和间接经验积累起来的专门知识，专家知识库收集上述两方面知识，经过整理，确定指标。

1）气体监测与保护设计。主要对矿井内的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气，进行监测，运用专家知识进行智能判断，从专家知识中得出采掘工作面的进风流中，氧气浓度不低于20％，二氧化碳浓度不超过0.5％，甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围如表1所示。发现异常时，可分别进行自动断电，报警及闭锁，防止事故的发生与扩大。

表1　甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围

2）温度控制与预警设计。在矿井采煤工作面开采容易自燃煤层应设置温度传感器，从专家知识中得出生产矿井采煤工作面的空气温度不得超过26℃；机电室的空气温度不得超过30℃。采掘工作面的空气温度超过30℃，机电室的空气温度超过34℃，必须采取降温措施逐步解决。

3）烟雾监测与预警设计。对矿井内的烟雾进行监测，当烟雾含量达到一定值时，给出预警信号。

4）风速和风压监测与故障判断。通过连续监测矿井通风巷道中风速大小的装置及监测矿井通风机、风门、密闭巷道、通风巷道等地点通风压力的装置，从专家知识中得出主要进回巷风速不得超过8m/s，采煤工作面、正在掘进中的煤巷和半煤巷，最低容许风速为0.25m/s，最高容许风速为4m/s；掘进中的岩巷最低容许风速为0.15m/s，最高容许风速4m/s；其他通风人行巷道最低容许风速为0.15m/s。发现风速或风压异常时，系统可以给出故障可能出现的原因，并及时通知相关维修人员进行处理。

计算机获取专家模式，按照最佳工作曲线调整被控制对象。一旦客户发送指令，指令经Internet接入主控环节，主控机收到指令并经分析后，调用相关专家模式，按需要、按规则发出指令。

4 结束语

本文介绍的无线网络的煤矿井下智能监控系统在某煤矿的实际应用表明，通过对于甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、风速、风压、烟雾、温度等指标进行实时监测，并用专家知识进行智能决策，可以有效地防止气体、温度、烟雾而引发的火灾及其它意外事故。本系统中的新型物联网发挥着重要的作用，采用C#设计了人机界面和数据采集程序，人机界面友好、使用方便，系统具有扩展性，安全、可靠。

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Coal Mine Intelligent Monitoring
System Based on New Internet of Things

GAO Dan
(Tangshan Polytechnic College，Tangshan 063299，China)

Abstract：In this paper, the coal mine intelligent monitoring system based on Internet of things has explored the key technologies.It puts forward a new type of Internet of things architecture and intelligent control which is suitable for the underground coal mine to the shortage of coal mine monitoring system currently.It systematically designs ZigBee tree topology structure, collects data through the ZigBee wireless sensor network, combines the industrial ring Ethernet, and improves the reliability of the system.The coal mine intelligent monitoring system monitors the data of sensors transmits through the new Internet of things, and the intelligent control makes control decisions.The system is well suited coal mine complex environment, with certain economy effectiveness.

Key words:internet of things; intelligent control; monitor

作者简介：高 丹（1979-），女，河北唐山人，硕士，讲师，主研方向为控制理论与控制工程。

收稿日期：2016-02-13

中图分类号：TP273

文献标识码：B

文章编号：1674-943X(2016)01-0016-03