煤矿瓦斯无线监测技术及系统的构建

谢潇　鲁璐

摘 要：瓦斯浓度是影响煤矿安全生产及运行的重要参数之一，因此瓦斯浓度同样是煤矿生产过程中需要重点监控的数据。为了解决当前煤矿井下瓦斯监测存在的监控盲点较多、布线与架设难度较大的问题，文章设计了一种基于ZigBee通信技术的无线瓦斯监测系统网络，希望能够为煤矿井下瓦斯监控网络架设工作提供相应的参考。

关键词：瓦斯浓度；瓦斯监控；无线监测

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0076-01

随着大型煤矿的采掘深度以及开采规模的不断扩大，需要对有线瓦斯监测系统网络进行拓展，而有线监测系统具有架设成本高、施工周期长、寿命受外界因素影响大的缺点，不适于在规模大、掘进深的大型煤矿中使用。同时，有线瓦斯监控系统需要长时间在恶劣的井下环境中使用，导致部分监控网络功能失效，造成不能对井下瓦斯浓度进行全面、真实、准确监测的问题，给煤矿的安全生产带来了隐患。因此，构建一个能够为煤矿管理人员提供全天候、全方位的煤矿井下瓦斯监控系统就显得尤为重要。

1 瓦斯无线检测的主要技术及其应用现状

当前，基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监控成为了煤矿瓦斯监控系统架设的一个有效方式，对保证煤矿的安全生产具有重要作用。国内外在无线传感器网络技术以及矿井瓦斯监测应用方面开展了一定的工作，并取得了对应的成果。例如，徐振峰和尹晶晶[1]提出将ZigBee无线传感器网络技术应用到煤矿瓦斯监测工作中，在硬件电路设计过程中通过选择对应的无线收发芯片与载体催化元件为监测网络提供信息传递与传感器设备，并在低压稳流电源的支持下，通过构建基于分簇的路由算法网络，不但可以实现瓦斯的无线网络监测，还可以降低监测网络的功耗。杨波[2]为了解决传统煤矿瓦斯浓度监测过程中使用有线网络存在的成本高、架设难度大等问题，提出了基于ZigBee无线网络技术的瓦斯浓度监控站系统及其构建方案，设计了一种采用无线射频模块及节点硬件结构的监控网络。在该网络中，充分应用节点和上位机的工作原理优势，通过发挥无线监控网络的技术优势与特点，降低了瓦斯监控的成本，解决了有线监控系统架设难度大的问题。袁志强[3]通过使用低功耗微处理器、无线收发芯片与矿用瓦斯传感设备，设计一种由传感器节点、路由设备与协调设备构成的煤矿用瓦斯无线监控系统，在实际的煤矿瓦斯管理和监测工作中得到了良好的应用。另外，Hayes J等为了满足深井、大规模煤矿井下瓦斯浓度监测的需要，设计了一种无线传感器网络，其网络的传感器节点主要是使用了金属氧化物的半导体气敏设备，通过将之设置在需要监控的重点设备当中，获得相应的瓦斯浓度信息。在设计之初，这种监控系统的主要目的是为了对人工手持式检测设备进行补充，但是随着无线技术的快速发展，却逐步替代了传统的瓦斯浓度监测方法，而且其功耗消耗更少。

从当前的煤矿瓦斯无线检测的主要技术及其应用现状分析结果来看，煤矿瓦斯浓度的无线监控技术发展相对完善，在传感器、路由设备和协调器等监测设备的使用、研发等方面都开展了一定的工作，但是结合煤矿瓦斯监控系统需求的具体网络设计的研究相对较少，还有待进一步完善。

2 ZigBee技术的主要特点

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准而制定的一种低功耗局域网标准。按照当前国际标准的相关规定，ZigBee技术属于一种典型的短距离、低功耗无线通信技术，在当前的小型无线网络构建当中得到了相当广泛的应用。该无线网络技术的名称是基于蜜蜂的八字舞而命名的，因为蜜蜂（bee）在飞翔的过程中主要依靠高速抖动的翅膀，而且在抖动过程中会发出“嗡嗡”（zig）的声音，并利用该声音向同伴来传递相关的信息，例如花粉的具体位置，即蜂蜜就是依靠这种方式实现与整个群体中的个体进行实时通信的。该种技术的主要特点是复杂程度较低、通信距离较近，能够实现自组织、功耗的数据传输。因此，ZigBee技术主要用于自动控制以及远程无线控制当中，同时还可以嵌入各种需要的应用设备。即ZigBee属于一种成本较低、功耗较低而且通信距离较近的无线网络通信技术。

3 基于ZigBee技术的煤矿井下瓦斯无线监测系统的 构建

ZigBee网络协议不但具有较为丰富的组网能力，而且还能够根据不同的监控需要构建包括星型、树型、网状等结构形式的网络。其中，星型网具有组网简单的特点，但是其结构稳定性不足，一个路由器出现故障时，会使得整个网络瘫痪；网状形式结构虽然较为稳定，但是其整个结构体系较为复杂，而且对硬件水平要求较高，组建及维护成本也相对较高；树型网络可以实现任意节点之间的通信，而且成本较低。考虑到煤矿井下瓦斯监测数据点具有局部分散，且需要对获得的数据进行集中汇总的特点，在网络设计过程中使用了树形的网络拓扑结构。为了保证数据的传输稳定性，在路由器之间还使用了局部的网状结构。

在整个网络结构当中，瓦斯浓度采集传感设备是整个系统的关键部分，主要负责对井下瓦斯浓度信息进行搜集，首先通过对应的A/D转化、进行数据处理后再从各个节点配置的ZigBee模块当中将数据转换成为所需要的ZigBee数据包，最终将之发送到ZigBee路由器当中。其次ZigBee路由器从各个瓦斯采集传感器节点中获得数据，然后按照路由器表中预先设置的路径将数据包转发至ZigBee协调器当中。最后，ZigBee协调器搜集由路由器传送过来的数据后，利用RS485串口将之发送到监控室的计算机中，最终实现在可视化界面下对各个节点瓦斯浓度的显示。在整个通信网络当中，各个ZigBee路由器都是基于标准的协议进行数据传输。

4 终端节点的设计

终端节点处于整个ZigBee无线网络系统的最底层，主要工作是负责瓦斯数据的采集，并将这些数据通过路由器集中到协调器节点当中。本文设计的终端节点系统结构主要包括传感器模块、主控与通信模块及电源模块三个部分构成，可以实现数据采集、自动网络链接和数据传输三项功能。

5 煤矿瓦斯采集传感器节点的硬件设计方案

煤矿瓦斯传感器节点主要包括瓦斯传感器、ZigBee通信模块以及电源模块三个主要构成部分，其具体结构，如图1所示。

煤矿瓦斯传感器主要包括催化燃烧式与红外吸收式两种主要的感知原理，其中催化燃烧式传感设备主要用于对瓦斯的主要成分，即甲烷的浓度进行监测，监测过程中使用了甲烷催化燃烧过程中的热效应。该传感设备具有结构简单、生产成本较低的特点，但是其工作电流较大，在使用过程中容易受到硫化物、卤素化合物等相关因素的影响，因此使用寿命相对较低。尤其是工作面的氧气浓度较低时，误差较大。红外吸收式传感器则是通过吸收甲烷特定波段的红外光，利用对应的探测设备，将光信号转换成为对应的电信号，从而实现相应的监测功能。

本文在设计过程中使用的数字输出扩散式红外甲烷传感设备，具有内置A/D转换，便于无线网络的架设；同时，灵敏度相对较高，而且功耗较低，使用寿命较长。

系统的ZigBee通信模块使用CC2530型芯片，在内部设置了具有代码预取功能的CPU，功能强大，能够支持多种串行通信协议，具有工作稳定性高、耗能较少特点，可以胜任煤矿井下瓦斯浓度的监测、数据处理、传感器控制和数据存储等工作。

参考文献：

[1] 徐振峰.尹晶晶.煤矿瓦斯无线监测技术研究现状及发展趋势[J].科

技信息，2012，（29）.

[2] 杨波.煤矿无线瓦斯监测系统设计[J].科技创新与应用，2012，（31）.

[3] 袁志强.基于ZigBee技术井下瓦斯无线监测系统的设计[J].工业安全 与环保，2013，（6）.

[4] Hayes J， Slater C， Kiernan B. A wireless sensor network for methane monitoring[J]..Advanced Environmental， Chemical， and Biological Sensing Technologies，2007，（4）.