基于WiFi 技术的煤矿井下安全监控系统的设计研究

董晓亮

（阳煤集团矿山救护大队，山西 阳泉 045008）

引言

我国煤矿资源相对比较丰富，煤矿企业的数量以及煤矿开采产量也较大，但是由于我国煤矿分布、煤矿地质构造复杂，开采难度较大，井下环境恶劣，矿井事故频繁发生，严重制约了煤矿开采行业的发展。

近年来，国内的煤矿井下安全监控技术取得了较大的进步，相较于早期的安全监控技术，目前煤矿井下安全监控技术主要发展方向包括高精度传感器、系统在线自动调校设备、分站式结构设计、现场总线控制技术应用、采用TCP/IP 网络协议通信技术[1]。基于现有的某矿业公司井下安全监控系统的升级改造，设计了基于WiFi 技术的安全监控分站系统。

1 WiFi无线通信技术

WiFi 无线通信技术又被称作“相容性无线传输技术”，WiFi 技术具有较好的兼容性，其协议与执行标准为WECA 发布的，后期对系统的更新升级较为方便。每个WiFi 网络通常都包括一个或多个客户端，传输速率快，满足了用户的实际使用需求。

WiFi无线通信技术与其他的有线传输网络相比具有以下特点：

1）WiFi通信安装的设备简单，减少了线路的铺设，极大地降低了系统成本，同时为系统后期的维护、使用、维修提供了较大的便利性。

2）WiFi网络组网灵活，可方便移动，同时非常便于后期对通信系统的扩展、扩容。

3）WiFi无线通信技术传输速率较快，传递的信息准确，在WiFi网络无线信号可覆盖的区域内，任何位置均可获得网络的接入，对保障设备的通信具有重要意义。

4）经济性好，WiFi技术可根据用户实际需求进行规划调整，实现网络迅速扩展。WiFi通信技术可以结合现有宽带，高效进行网络部署搭建，后期使用成本也降低许多[2]。

2 安全监控系统总体结构

2.1 总体结构设计

环境监测系统需结合实际煤矿巷道的分布情况来布置，WiFi无线通信技术解决了井下巷道中有些区域信号传输受限的问题。监控系统总体结构上可以分为远程监控层、分析控制层以及数据处理分析层、数据采集层、中间传输层等组成。如图1 所示，为安全监控系统总体硬件设计方案[3]。

图1 安全监控系统总体结构

各层硬件之间通过WiFi 通信技术实现信息的交互，由于WiFi 通信技术可扩展性强，信号传输能力强，因此安全监控系统具有高效和扩展性好等优点。井下环境安全监控系统可以检测井下空气中的瓦斯、一氧化碳、甲烷等有毒有害气体，具备24 h 不间断监控预警功能，为井下安全提供了有效的信息保障，下面对系统各个分层做简要介绍。

2.1.1 信号采集层

信号采集层是系统的终端数据采集层，装备了瓦斯、一氧化碳等气体传感器；装备有温度、湿度、粉尘监测传感器。此类传感器具有信号采集以及信号传输的功能，具备长距离无线通信能力，可以与WiFi 路由器进行连接，并将采集得到的信号传输给上级控制层。

2.1.2 数据存储层

数据存储层主要是对所有传感器所采集的信号进行存储，方便调取和分析，在分析和处理故障时都需要对传感器的信号进行分析。

2.1.3 控制与分析层

控制与分析层主要是对传感器所采集的信号进行分析，得出关键信息，并向地面控制主机反馈；可传达控制命令，对系统硬件进行控制，从而有效控制系统的运行。

2.1.4 远程监控区

远程监控区主要是对各子系统的信息的集成，是人工监控与控制的平台，也是监控系统的核心所在，可以方便地进行信号的显示与处理[4]。

2.2 系统指标设计

根据项目的实际需求以及煤矿巷道的分布情况，选择性能适宜的硬件设备对提高监控系统的经济性具有重要意义，下面对该系统中所涉及到的一般性硬件指标总结如下：

1）传感器信号传输能力要求：信号传输的频率要求在50 Hz 到2 000 Hz 之间，额定工作电压信息在2 mV 到80 mV 之间，要求传感器采集信号误差不得大于0.5%。

2）数据传输能力：要求实现100 Mbit/s 的工业级信号传输能力，所有硬件端口均以TCP 协议进行传输。

3）设备环境适应性：要求各硬件设备应具有在-10～70 ℃环境下工作的能力，抗干扰能力强，同时要求空气的相对湿度不得大于94%。

4）系统具有较好的兼容性，具有16 路输入与16 路输出端口，方便后期对系统硬件进行扩展[5]。

3 系统软件设计

软件是系统实现其功能的重要组成部分，是有效获取监控信息的基础，由于软件所涉及到的相关程序语言的编辑较为复杂，在此仅对软件的架构设计以及初步需要实现的功能做简要介绍，软件的实现与第三方合作完成，操作系统采用基于Visual Studio C# 可编程语言完成，数据库系统采用SQL Server。其他的子系统软件可直接采用不同厂家开发的产品，在此不再一一赘述。

图2 为安全监控系统的软件架构的设计示意图，操作系统层面主要集成了对信号与数据的查询搜索等功能，然后在计算机网络系统层主要是对数据的处理。软件系统同时集成了用户数据查询、对硬件设备的管理等操作[6]。

图2 安全监控系统软件架构

对软件的功能设计做简要介绍：

1）支持对用户权限设置、具有后台数据管理能力，可记录登录情况，确保使用过程中的安全性。

2）系统信息的记录、查询、分析等能力，尤其是对井下传感器采集的数据进行危险度识别，当所采集信号大于安全阈值，系统可自动报警并对相关硬件设备进行控制，从而对井下环境进行有效地控制。

3）软件系统具备常见的数据分析、统计功能，图像显示等功能方便管理人员了解井下环境参数的分布规律。

4 安全监控系统硬件设计

对井下安全监控系统的硬件设计以及重要硬件的选型做简要介绍，根据其功能的不同，对系统中部分硬件等做如下介绍。

4.1 环境监测传感器

煤矿井下的有毒有害气体主要是瓦斯，瓦斯主要组成气体为甲烷、烃类、二氧化碳等气体，无色、无味、难溶于水，且具有易燃、易爆的特点。根据项目的实际需求，选择了长英科技有限公司研发的STM-LIN 型空气安全传感器，该传感器具有精度高，可靠性好等优点，可同时可监测甲烷、CO、CO2等气体。传感器测量误差为±4×10-6；显示方式为12位LED，传感器如下页图3 所示。

4.2 中央处理器

监控系统的核心是中央处理器，信息交互采用工业以太网，选了西门子360-SPN/DG 型中央处理器，处理器采用模块化结构设计，最大可实现32 模块的扩展，具有处理能力强、扩展适应性好、功能全面等优点。

4.3 数据传输站

数据采集分站可以连续监测矿井的现场状态，本系统选择了MDC4200/62B 矿用隔爆型数据传输站（见下页图4），可实现数据传输分站与地面中心站之间信号的稳定传输，该传输器结构安全可靠，被广泛应用煤矿开采环境。

图3 空气安全传感器

5 安全监控系统功能测试

系统搭建完成后对其各项性能进行了测试，包括瓦斯气体浓度的监测能力、数据分析能力、数据记录能力等。系统实现了对井下环境中甲烷、CO、CO2等气体浓度的实时监测与预警，软件系统具备数据记录、查询功能。详细记录了井下环境各项参数随时间的变化情况，并可以将其绘制为历史曲线，方便分析与查阅。在为期半年的系统测试中，系统各项指标正常，具备实际应用能力，为煤矿企业提供了安全保障。

图4 数据传输站