关于煤矿井下作业环境安全监控系统的设计研究

刘光远

（同煤集团晋华宫矿， 山西 大同 037016）

引言

目前，我国已经非常重视煤矿开采安全问题，为避免出现瓦斯爆炸等安全事故，煤矿企业采取了一系列措施[1-2]。然而在实践过程中，煤矿安全事故时有发生，尤其是瓦斯爆炸事故，严重威胁煤矿开采的可持续发展[3]。因此，应对煤矿井下作业环境进行实施监控，有效预防煤矿安全事故[4-5]。

1 矿井作业环境安全监控系统总体结构

如图1 所示为矿井作业环境安全监控系统总体结构示意图。从图中可以看出安全监控系统由多个部分构成。以下对一些核心部分进行介绍。

地面监控中心主要是中央控制计算机，其作用是接收来自ZigBee 协调器的数据信息，对数据信息进行分析对比，检查各项数据是否超过系统设定的指标。另外，还可以通过协调器向井下各装置发送控制指令，实现对整个安全监控系统的有效控制。如果系统检测到矿井作业环境存在危险，一方面会下达指令对声光报警系统进行控制，以警示井下工作人员；另一方面还会下达控制指令对通风机系统进行控制，加大通风量。

图1 矿井作业环境安全监控系统总体结构示意图

ZigBee 网络与地面监控中心之间需要通过协调地进行连接，井下部分采集得到的数据信息需要通过协调器传输到地面监控中心。地面监控中心下达的控制指令需要通过协调地传达到井下各装置中。路由器是整个网络中的中继节点，作用是对数据信息进行汇总并转发，同时转达至上而下的控制指令。终端设备主要是瓦斯浓度、温度和湿度传感器，对矿井内的环境参数进行实时监测，并将采集得到的数据信息通过网络系统传输到地面监控中心中的控制计算机中进行分析和处理。终端设备还需要接受井上监控中心的控制指令，并按照控制指令完成各项动作。比如风机系统需要按照控制中心下达的指令提供对应的通风量。

2 安全监控系统硬件选型与设计

2.1 主要设备的硬件选型

1）控制器芯片选型。可供选择的控制器芯片类型有很多种，在结合煤矿实际情况的基础上最终选用由英国公司生产的JN5139 型号芯片，该型号芯片为32 位微处理器，具有优良的性能，整体功耗相对较低，可兼容多种传输模式。ROM 和RAM 的大小分别为192 kB 和8～96 kB，接口丰富，能够与多种装置进行连接。

2）温湿度传感器。选用的温湿度传感器由瑞士公司生产的型号为SHT11。规格尺寸很小，其长度、宽度和高度分别为7.5 mm、5 mm 和2.5 mm。能够从整体上缩小终端设备的体积。传感器在正式出厂前都要对其进行精确的校准，同时传感器内部自带有校准程序，在实际应用时可以直接调用程序对传感器进行校准。因此在使用过程中具有相对较高的精度。

3）瓦斯传感器。当前矿用瓦斯传感器主要可以划分成为两种类型，分别为热效式和热导式，本系统在结合实际情况的基础上选用的是热效式瓦斯传感器，传感器中用到的催化元件型号为LXK-3。优势在于使用寿命长、检测进度高、结果稳定等。

2.2 终端节点进接口设计

如图2 所示为终端节点总体结构示意图，从图中可以看出终端节点由多个部分构成。系统选用的JN5139 芯片具有丰富的接口，完全能够满足实际使用需要。以下主要对瓦斯浓度传感器接口和温湿度传感器接口的设计情况进行简要介绍。

图2 终端节点总体结构示意图

1）温湿度传感器接口设计。对于矿井环境而言，温度和湿度是其中非常重要的参数，如图3 所示为设计的温湿度传感器接口电路图。传感器检测到的温度和湿度信号为电压模拟量信号，该信号经过放大器放大、A/D 转换器转换成为数字信号后，通过数据接口将数据信息传输到JN5139 微控制器中。可以在系统中设定温度、湿度的上限和下限，当检测结果不在设定的安全范围内时，系统就会通过声光报警系统进行报警，以提示工作人员。

图3 温湿度传感器接口电路图

2）瓦斯传感器接口设计。瓦斯浓度检测是本安全系统的关键和核心，因此必须确保检测结果的准确性。传感器检测得到的同样为电压模拟量信号，为提升检测结果的灵敏度，对检测得到的电压信号进行放大处理。放大器的芯片型号为TLV2780，具有放大过程稳定、精度高等优势，可以满足本系统使用需要。如图4 所示为瓦斯传感器接口电路结构示意图。

3 安全监控系统软件程序设计

3.1 协调器的软件程序设计

图4 瓦斯传感器接口电路结构示意图

在安全监控系统中，协调器起到桥梁的作用，实现井上部分和井下部分的连接。同时协调器也是整个传输网络的管理者，需要对网络中不同装置分配网络地址、对数据信息以及控制指令进行转发等。

如图5 所示为协调器的软件程序工作流程图。监控系统开始运行后，协调器首先需要进行初始化处理，对相关装置参数进行归零，检测各装置功能是否正常等。自检正常后，整个网络就开始正常运行。可以对网络运行状态进行监控，如果发现存在故障问题，就需要对其进行处理，以确保网络的正常运行。当网络中有新的终端节点加入时，协调器需要对其分配网络节点地址，终端节点获得网络节点地址后才能加入到系统中参与运行。当终端节点采集得到的数据信息传输到协调器后，协调器就会将其转发到地面监控中心进行处理。

图5 协调器的软件程序工作流程图

3.2 终端节点软件程序设计

终端节点的软件程序主要包含两部分内容，其一为网络通信功能，主要实现终端节点与整个网络系统的连接。其二为数据采集功能，主要是通过温湿度传感器和瓦斯浓度传感器对矿井内的环境参数进行采集。与系统中的路由节点和协调器相比较而言，终端节点实现的网络通信功能相对简单，只需要确保终端节点能够与网络系统连接即可。配备在井下工作人员身上的移动终端采集节点和安装在矿井内部不同区域的固定终端采集节点，会按照程序设定的周期对周围环境中的环境参数进行采集，并将采集得到的结果通过ZigBee 无线网络传输到协调器中。如下页图6 所示为温湿度采集软件程序流程图。

4 结论

将煤矿温度、湿度和瓦斯浓度安全监控系统佩戴在工作人员身上的移动终端和固定在煤矿不同区域的固定终端，能够对整个矿井不同区域的环境参数进行实时监测，并将其传输到地面监控中心进行分析。系统一旦检测到矿井环境存在危险，就会通过声光报警系统提示工作人员，同时下达控制指令对通风系统进行控制。煤矿井下作业环境安全监控系统的应用能显著提升矿井安全程度，避免出现瓦斯爆炸安全问题。

图6 温湿度采集软件程序流程图