基于无线技术的煤矿安全监控系统研究

王敏

摘要：煤矿瓦斯、CO、粉尘等浓度的高低会直接影响到矿井安全，为确保井下作业安全，为煤矿工作人员提供更加安全的工作环境，必须对煤矿瓦斯、CO、粉尘等浓度进行实时监测。无线技术的快速发展为煤矿安全监控系统的完善提供了良好契机，将无线技术应用于煤矿安全监控系统中，能够实现对瓦斯、CO、粉尘等浓度的实时监测，对保证矿井安全意义重大。文章简要介绍了无线技术，分析了煤矿安全监控系统及其研究现状，对基于无线技术的煤矿安全监控系统设计进行了讨论研究。

关键词：无线技术；煤矿安全监控系统；研究现状；系统设计

0 引言

利用煤矿安全监控系统能够实时了解到井下瓦斯、CO、粉尘等浓度，并根据《煤矿安全规程》、《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》（AQ1029—2007）、《煤矿安全监控系统通用技术要求》（AQ6201—2006），将瓦斯浓度控制在安全范围内，避免因瓦斯、CO、粉尘等浓度过高而引发煤矿重大、特大瓦斯、煤尘爆炸事故，在造成人员伤亡的同时还制约了煤矿开采事业的发展，阻碍了我国经济建设的步伐。从近几年的煤矿事故来看，主要是煤矿安全监控系统不够完善造成的，难以对瓦斯、CO、粉尘等浓度形成有效的实时监控，针对这种现象，必须加大煤矿安全监控系统的研究和开发力度。

1 无线技术的概括

无线技术的核心是传感网技术，在利用无线技术进行通信时，通信信号会以电磁波的形式传递、扩散出去，信号在传播过程中不受空间限制，可以在较短的时间内完成信号的发送和接受，且通信内容在传递过程中不会发生变化，能够保证信息的完整性和准确性。无线技术不铺设专门的电缆便可以完成通信，能够根据用户实际需求自由选择终端节点的安放位置，安装更加方便、快捷，同时还可节约网络安装和维护费用，已经被广泛应用于多个领域中去。

2 煤矿安全监控系统介绍及其研究现状

2.1煤矿安全监控系统介绍

我国煤矿安全监控系统目前较多的采用有线通信方式，主要由上位计算机、井下分站和传感网络三部分组成，三部分设备依靠光纤电缆连接在一起，完成信息数据传输，其工作原理如图1所示。上位计算机是整个系统的中枢部分，完成对系统运行的调控、信息数据的输入、输出以及储存，将瓦斯浓度的动态变化显示出来，当浓度超过设定的安全范围时便会发出警报，然后系统会发出命令对其区域内的动力电进行瓦斯电闭锁，并对未来走向进行预测；井下分站主要是完成通信信息在上位计算机和传感器之间的传递，起到信息数据传输的纽带和桥梁作用；传感器是信号转化装置，在特定电压和电流条件下，传感器可以将物理信号转化为易于传输的电信号，使煤矿安全监控系统的通信更加方便、高效、准确。

2.2煤矿安全监控系统研究现状

根据煤矿瓦斯监控方式的不同，可分为人工监控及自动化监控两种，人工监控是通过设置专门的人员对煤矿动态情况进行掌控，对其中容易出现事故的环节和因素进行处理，这种监控方式工作效率较低，且容易因人为操作失误或工作不认真影响监控效果；自动化监控是利用软件及硬件设施对煤矿动态信息进行收集和分析，系统会根据信息内容作出相应的反应，有效提高工作效率和监控水平，保证监控的精准性。煤矿安全系统的通信方式包括有线通信和无线通信，其中有线通信方式受地下环境影响较大，所用到的传感器都是固定的，通信电缆的铺设难度较大，且后期维护和修理很不方便，当出现通信故障时很难及时进行控制和处理，加剧了故障问题的影响，不利于保证井下作业安全，同时工程成本也比较高；无线通信方式不受地下环境的限制，系统运行更加智能化，可有效节约人工和材料成本，当出现故障问题的时候，可以快速对其进行维修，保证测量的精准性。

3基于无线技术的煤矿安全监控系统设计

3.1系统硬件设计

将无线技术应用于煤矿安全监控系统中，传感器节点的设置是系统硬件设计中的重点内容，主要由传感器模块、微处理器模块、无线收发模块、显示模块、报警模块以及电源模块六部分组成。在设置传感器节点的时候首先要保证节点位置的准确性，进而才能完成数据的采集、传递与处理；其次还需要保证传感器节点分布的密集型和科学性，对整个煤矿形成全面覆盖，提高监控系统的整体性和连通性。

（1）微处理器模块

传统微处理器模块对单片机的处理不到位，受PC机结构影响较大，在应用无线技术之后，在微处理器模块使用AT mega128L单片机，可以有效解决PC机结构对单片机的影响，在提高微处理器模块运行效率的同时还能降低运行成本。

（2）无线收发模块

系统通信信号的接收和发出都是由无线收发模块完成的，该模块属于射频集成电路，其中在进行节点设备射频芯片设计时采用的是ZigBee技术，提高了收发信号的灵敏度，可以快速对信号做出反应，并且该技术下的收发信号具有较强的稳定性和抗干扰能力，能够在最大程度上保证信号的准确性和完整性。

（3）显示和报警模块

显示模块和报警模块是联合工作的，系统通过对煤矿动态情况进行监控，当出现危险信号的时候可以将具体信息以及数据显示出来，并利用报警器发出报警声，同时LED信号灯也会发出红光引起人们的注意，完成对危险信号的报警，进而及时采取有效的措施加以解决，排除存在的安全隐患。

3.2系统软件设计

（1）系统程序设计

程序设计是软件设计的重点，数据的传输以及网络的维护主要是依靠汇聚点程序完成的。汇聚点可以与多个形式网络节点进行连接，将系统中的所有数据汇总到一起，完成对数据的处理以及向下一级网路结构的传递。汇聚点程序在整个数据传输过程中起到连接作用，计算机数据处理中心与各个网络节点之间的信息传递与反馈全都需要依靠汇聚点，是系统完成无线数据传输的核心程序。

（2）网络结构以及WSN通信协议

煤矿安全监控难度较高，在应用无线监控技术的时候，需要建立逐级传递的网络结构，通过将系统网络进行区域性的划分，能够实现对系统运行的全面调控，在提高监控力度、保证监控全面覆盖方面起到了重要作用。利用逐级网络结构形式，一个簇头可以同时完成不同节点的信息传输及处理，使数据传输情况更加清晰明了，提高了数据传输效率，能够实现更加理想的监控效果。WSN是指无线传感器网络，由传感器、监控对象以及监控人员三部分组成，在设置无线传感器网络时，需要根据矿井的开采进度进行相应的调整，为了保持与作业进度的同步性，可以在矿工身上安装传感器节点，保证监测信息的时效性。

4 结束语

煤矿事故的频发使人们越来越重视煤矿安全监控系统性能，基于无线技术的煤矿安全监控系统弥补了传统监控系统中的不足，提高了对瓦斯、CO、粉尘等浓度的监控力度，能够有效降低煤矿事故发生概率，在保证矿工生命安全方面起到了重要作用，利于我国煤矿开采事业的稳定发展。

参考文献：

[1]李春丽.基于无线技术的煤矿瓦斯监控系统的研制[J].煤矿机械， 2015，36（5）：95-96.