基于无线传输技术的矿用新型瓦斯监控系统设计

杜 刚

（晋能控股天安煤业有限公司，山西晋城048000）

煤炭作为一种重要的化石资源，在我国发挥着重要的作用。但是煤炭的开采工作具有一定的困难，其矿井内部的环境恶劣，气候潮湿，尘土较多，电磁干扰严重。同时，矿井内部的空气成分复杂，伴随着大量的一氧化碳及瓦斯气体，对人类的呼吸系统影响极大。随着煤矿开采的大规模进行，事故发生频繁，尤其是瓦斯事故，给煤矿开采工作造成了较大的阻碍，直接影响到了人类的生命安全及煤炭企业的经济效益。而随着煤炭开发的程度加深，瓦斯中毒及爆炸等事故频发，造成较大的社会影响。据相关的数据报道，我国煤矿事故的大部分都是由瓦斯气体引起的，且造成危害较大，死亡人数较多，具有较大的影响力[1-4]。因此，为了遵循安全生产的原则，我们需要对矿井内部的瓦斯浓度进行精准检测，一旦浓度超标将及时报警，进而保障矿井工人的生命安全。

传统的地下矿井检测系统具有诸多弊端，它是由电缆组成。通过在煤矿内部布置大量的电缆线，并通过各类传感器进行检测，通过监测各区域的瓦斯浓度，保障生命安全。正如上面所说，利用线缆的检测方式存在以下问题：①地下巷道复杂，因此受地形的影响，其布线工作量较大，且布线没有规律，花费大量的人力及物力进行线缆的设计及铺设，同时，铺设电缆方式的灵活性较差，甚至会出现铺设不到位的现象。②只有在电缆铺设的区域才能实现监控任务，因此监控区域受到的约束较大，肯定会出现盲区，进而导致事故隐患，使其工作的安全性得不到保障。③线缆铺设完成后，由于其地下环境恶劣，因此需要花费时间去定期维护，况且维护困难，故障维修较为困难，其经济性较差。

作者对上述的检测方式进行了改进，突破了传统检测方式的弊端，解决了线缆铺设的局限性，降低了对设备的要求。本文通过无线网络结合传感器的模式进行检测，该检测方式不需要铺设大量的线缆，可以将其检测装置自由配置，避免了大量的人力消耗，增加了检测系统的灵活性，同时，该系统还设计了较为良好的人际交互界面，该界面操作简单，能够直观显示瓦斯浓度，实现了实时监控，通过对该气体浓度监控，有效地避免了事故的发生。

1 瓦斯监控系统设计要求和参数

矿井内部的环境恶劣，气候潮湿，尘土较多，电磁干扰严重。同时，矿井内部的空气成分复杂，伴随着大量的一氧化碳及瓦斯气体，对人类的呼吸系统影响极大。因此为了保障监控系统的稳定运行，需要该设备具有防潮及防辐射等功能。

我国对煤炭开采行业制定了较多的行业标准，保障开采的安全性。正如《煤矿安全管理规程》一样，该规程规定了井下气体的安全浓度，其具体浓度如表1所示。

表1 煤矿井下有毒有害气体检测技术指标

根据上述的气体检测标准可知，矿井内部的瓦斯监控系统需要满足以下条件：

（1）安全性。矿井瓦斯监控系统主要由两部分构成，一类是以传感器为核心的硬件设备，另一类则是监控软件。两部分共同作用，实现监控功能。前者设备需要适应地下矿井的恶劣环境，能够满足防尘、防腐蚀等性能。同时，硬件设备的数据传输也不能受到影响，保证传输的稳定性。

（2）完善的系统管理。根据上述的描述可知，矿井巷道复杂，瓦斯监控系统也需要定期进行维护，防止监控系统失效，这就对系统设计提供了挑战，监控系统必须维护方便，系统管理符合要求。

（3）地下煤矿内部的空间有限，因此需要充分利用内部资源，通过无线网络信息进行传输，避免了空间的浪费，且不需要花费大量人力进行布线。同时，可以通过上位机进行集中管理，极大地改善了检测的准确性，使其能够在规定时间内报警，实现内部瓦斯浓度的检测[5-8]。

2 基于无线传输技术的瓦斯监控系统方案设计

根据上述监控系统的要求，对其系统进行设计，选择合适参数。该系统需要从硬件及软件两部分进行设计，满足当前的检测需求。图1 则是总体设计方案架构图。

图1 煤矿瓦斯监控系统组成

正如图1 所示，该监控系统大致分为四部分，下面将对其进行详细阐述，第一部分为智能感知层，第二部分则为传输层，第三部分则是数据分析层，第四部分则是监控及报警层。各部分的功能不相同，分别由不同模块组成。第一部分则是以传感器为核心进行传感器网络的搭建，内部有多个传感器，可以完成井下气体的感知任务。该传感器体积小，分布较广，利用自组织的形式组建了网络，可实现气体检测及采集等功能。而第二部分的信号传输则承担了信息的传递任务，它主要传递传感器采集的信息。而第三部分则是整个系统的核心，它主要是对传感器的信息进行处理，其内部集成了CPU，可实现数据的分析，同时该系统具有多种模式，最为典型的则是PID控制，通过该方式实时控制瓦斯的浓度，使其维持在正常水平，一旦浓度超标，则会发生报警，提醒施工人员，保障安全生产。第四部分则是主要由各类监控设备构成，可实时显示浓度信息，同时也能将一段时间内的瓦斯浓度趋势通过曲线的形式展示，保存好历史的瓦斯浓度信息，方便以后的事故分析。图2则为该监控方案的原理图。

图2 基于无线传感器网络的瓦斯监控系统总体方案图

正如图2 所示。该监控方案分为地上监控及地下监控两部分，地上监控的主要核心则是监控中心，而地下监控的关键则是无线传感器网络，通过网络采集的瓦斯浓度信息，并将信息传输给网络接收节点，该接收节点处于地下。该传感器网络采用了星型方式进行搭建，具体的搭建方式如图所示，将地下采集的信息通过网络进行传输到地上的监控系统，从而避免了地下瓦斯浓度超标，保障了生产安全。

3 瓦斯监控系统硬件设计

3.1 传感器选型

该监控系统的核心则是瓦斯监控传感器，它主要是将瓦斯浓度信息转化为电信号并进行传输，进而实现浓度检测。正如图上显示，该系统使用的瓦斯监控传感器的型号为KGS-20，它是专门用于检测浓度的传感器，其内部含有二氧化锡，它是一类敏感材料，遇到瓦斯气体会发生反应。该传感器是一种半导体传感器，可检测可燃气体的浓度，此类传感器的灵敏度高，响应速度快，具有一定的应用范围，是最常见的气体检测设备之一。其实物图如3(a)，而内部的电路图则如图3(b)所示。

图3 KGS-20瓦斯传感器及电路图

该瓦斯传感器可用于检测可燃气体，它是一类半导体类型的检测设备，其内部含有电路，可以输出电流及电压信号。同时该传感器的输出电流范围为1～5mA，而输出电压的范围为1～5V。该传感器将电压及电流信息输送给监控系统，由该系统进行数据处理，完成监测工作[9]。

从上述的传感器电路可以看出，该传感器的探头内部含有监测元件，当矿井内部不含气体时，其内部的电桥处在平衡状态。而当矿井内部含有瓦斯气体，探头内部元件发生反应，导致电路的电桥不稳定，电路失去平衡，进而产生电信号，而由于矿井内部的浓度较小，产生的电信号很微弱，因此需要使用AD623实现信号的方法，同时通过处理器实现A/D转换，并利用射频模块进行信号的传输。

3.2 无线传感网络系统组成

该瓦斯浓度监控系统安装在矿井中，而矿井内部构造复杂，因此需要在内部多个点布置其传感器，并将其连接到中心节点中，实现统一控制。同时，采用传感器技术能够提高监测精度，提高系统的管理水平，图4则为整个系统的硬件结构。

图4 无线传感器网络硬件组成结构

通过图4可以得知，该监控系统的硬件核心为传感器，围绕瓦斯传感器的采集及接收节点进行搭建，结合监控计算机完成了整个监控系统。而传感器的监测节点可以组成通信网络，可实现数据的处理，并上传到地面系统，而该系统中，每个传感器的节点都是嵌入式系统，通过该种方式，节约系统的带宽，进而加大了设备的便利性。

4 软件系统设计与监控系统

无线传感网络内的节点均使用了嵌入式的开发环境。通过嵌入式提供的IAR 框架与其他设备结合，实现了监控功能。而嵌入式系统的处理器位数种类较多，最为常见的则是8位、16位和32位等。在进行项目开发时，系统提供了丰富的开发工具，能够使用大量的代码库，提高可开发效率，使得工作时间及难度大大降低。而本项目设计的瓦斯浓度监控系统的软件部分也是利用了IAR Embedded Workbench。传感器网络会对气体浓度进行采集，并通过射频模块接收地址数据，当传感器的采集节点与地址信息是否对应需要进行判断，当满足一致性时，则会将采集的浓度信息由射频模块发出，接收节点进行数据的接收。另外，该系统还能控制瓦斯浓度，其具体的控制流程如图5所示，通过判断发送及接收模块，确定数据发送是否成功。

图5 无线传感器网络采集节点工作流程图

该传感器网络的接收节点主要有两个功能，一个是接收上位机的指令，并将该指令发送给网络的采集节点，该节点会对发送的信息进行解析，完成相应的功能。而另一功能则是接收采集节点发送的浓度信息，通过对该浓度信息进行分析，并通过数码管及上位机系统显示，同时，当瓦斯浓度超标时，则会通过声光电的形式进行预警[10]。

5 应用效果

从上面的描述可知，该瓦斯监控系统主要是通过无线传感器网络实现的，由硬件及软件两部分组成，通过系统的测试，可以实现其瓦斯浓度监测功能，下面给将进行传统的检测方式与该新型方式进行对比，其结果如表2所示。

表2 传统监控系统与新型监控系统应用效果对比

根据表2的对比信息可知，该新型的瓦斯浓度监测系统的识别精度及速度远远优于传统的检测方式，具有一定的实用性，可进行大范围推广。

6 结语

瓦斯事故是煤矿安全生产中的常见事故，而传统的检测方式有着诸多的弊端，具有识别速度慢、精度低等问题。而基于无线传感器系统的新型检测系统能够解决上述的弊端，它由硬件及软件两部分构成，当矿井内部的瓦斯气体超标时，可以发出预警信号，提醒施工人员，保障了安全生产。该新型检测系统可以通过无线进行数据传输，检测精度较高，布线灵活，有效地避免了事故的发生，提高了煤矿开采的安全性。