馮 暖

(沈陽(yáng)工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

基于藍(lán)牙技術(shù)的煤礦防爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

馮 暖

(沈陽(yáng)工學(xué)院 信息與控制學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

為應(yīng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)，提出了一種利用自動(dòng)識(shí)別技術(shù)對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行防爆監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)井下監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊采集信息經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理后單片機(jī)作為核心控制器，用藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息傳輸，替代傳統(tǒng)光纜、電力線纜，為固定的或移動(dòng)的終端設(shè)備提供接入服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)礦井瓦斯監(jiān)測(cè)的功能。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，同時(shí)節(jié)省大量有線電纜，降低了成本，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性。

煤礦； 瓦斯?jié)舛? 監(jiān)控； 通信； 物聯(lián)網(wǎng)

0 引 言

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦井下安全避險(xiǎn)的重要系統(tǒng)之一[1]，在煤礦瓦斯防治、災(zāi)害預(yù)警等方面發(fā)揮著重要的作用[2]。煤礦瓦斯是多重易燃易爆氣體，其主要成分是甲烷，當(dāng)其與空氣混合的比例達(dá)到5%～16%[3]，遇到明火就有引發(fā)爆炸的危險(xiǎn)。除了一般的井下巷道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，還需要對(duì)類似采空區(qū)及人員難以到達(dá)的特殊區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)通自動(dòng)識(shí)別監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)與井下接收站，通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井下、井上數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 防爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

防爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙通信的多節(jié)點(diǎn)傳感器系統(tǒng)(見圖1)，井下監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊采集信息經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理后單片機(jī)作為核心控制器，用藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息傳輸，無(wú)線數(shù)據(jù)接受分站通過(guò)局域網(wǎng)將井下瓦斯?jié)舛刃畔⒔?jīng)過(guò)防火墻，上傳給井上地面監(jiān)控主機(jī)。實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)接收分站將數(shù)據(jù)接入局域網(wǎng)，利用已有的局域網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)多個(gè)終端的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，并從井下傳輸?shù)降孛孢h(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)[4-6]。這種方式提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 防爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

井下監(jiān)測(cè)作為防爆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心其硬件部分選用STM32單片機(jī)作為核心處理器，主要由MCJ4/3.0催化燃燒型瓦斯傳感器[7-9]、信號(hào)處理模塊、藍(lán)牙無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊及顯示及報(bào)警模塊組成。

2.1 傳感器模塊

瓦斯傳感器MJC4/3.0L(MC112)是根據(jù)催化燃燒效應(yīng)原理工作的，其特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度較快，適用于礦井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)可燃性氣體進(jìn)行濃度探測(cè)[10-13]。瓦斯傳感器由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用。當(dāng)有瓦斯流過(guò)敏感元件時(shí)，引起火焰燃燒，釋放能量使元件溫度升高，從而反映被測(cè)瓦斯氣體的濃度[14-16]。

2.2 STM32及藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊

移動(dòng)式瓦斯傳感器采集瓦斯信號(hào)，經(jīng)過(guò)微弱信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波器后由STM32單片機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至無(wú)線數(shù)據(jù)接收分站。

STM32系列使用的是ARM公司所研發(fā)的Cortex-M3內(nèi)核，其特點(diǎn)是既克服了16位單片機(jī)指令和性能的限制，又解決了32位處理器高成本、高功耗的缺點(diǎn)。

藍(lán)牙是一種短距無(wú)線通信技術(shù)。其傳輸距離一般為10 m，如果適當(dāng)增加其發(fā)射功率，傳輸距離可達(dá)到近百m。工作于2.4 GHz開放頻段，在此頻段傳輸，將有效降低井下的傳輸損耗，同時(shí)具有穿透障礙物，具備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在礦井環(huán)境適合采用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

藍(lán)牙模塊采用BF10-I智能型的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸藍(lán)牙模塊，處理器采用STM32F103模塊，通過(guò)藍(lán)牙模塊的串口管腳UART_TX和UART_RX，發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)全雙工串口通信，接口電路如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙與STM32的連接圖

系統(tǒng)采用局部無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和局域網(wǎng)相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式。單片機(jī)將瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸給無(wú)線數(shù)據(jù)接收分站，再通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)地面主機(jī)實(shí)時(shí)的進(jìn)行遠(yuǎn)程瓦斯氣體濃度監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作流程是核心控制器STM32、藍(lán)牙模塊、傳感器模塊、串口、定時(shí)器初始化和中斷服務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要軟件進(jìn)行信息的無(wú)線傳輸。系統(tǒng)流程如圖3所示。通電之后，藍(lán)牙模塊則自動(dòng)連接形成串口透明，此時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸是全雙向的。發(fā)送AT指令，設(shè)置監(jiān)控終端串口連接的藍(lán)牙發(fā)送模塊與無(wú)線數(shù)據(jù)接受分站的藍(lán)牙接收模塊相同的波特率，并設(shè)置通信的主從模式。查詢?cè)O(shè)置模塊主從模式指令(見表1)。設(shè)置模塊工作模式，見表2。

圖3 主流程圖

表2 設(shè)置模塊工作模式指令表

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)煤礦安全領(lǐng)域的實(shí)際，提出了基于藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線通信技術(shù)的礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)局域網(wǎng)向井上主機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送井下監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的信息，便于井上人員及時(shí)了解井下的安全狀況。當(dāng)測(cè)量值超過(guò)警戒裝置閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警裝置。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井瓦斯監(jiān)測(cè)的功能，實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，同時(shí)節(jié)省大量有線電纜，降低了成本，在實(shí)際礦井作業(yè)中具有應(yīng)用和參考價(jià)值。

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Explosion-Protection Monitoring System Based on Bluetooth Technology in the Coal Mine

FENGNuan

(College of Information Technology, Shenyang Institute of Technology， Fushun 113122， Liaoning, China)

The rapid development of the Internet of things technology leads to the breakthrough in the field of coal mine safety monitoring with automatic identification technology. For production safety in coal mine, this paper puts forward an automatic identification technology for explosion-proof monitoring of coal mine gas concentration. The monitoring terminal nodes of the system collect downhole information by the sensor module, after A/D conversion signals are sent to single chip microcomputer to process. Bluetooth communication module is used to transmit information among nodes, as an alternative of traditional optical cable, power cable. Finally, the function of the mine gas monitoring is realized in real time. The system is with good real-time performance, fast data transmission speed, high reliability of data transmission. At the same time it saves a lot of cable, reduces the cost and improves the safety of coal mine production.

coal mine； gas density; monitoring； communication； the Internet of Things

2016-04-10

馮 暖(1981-)，女，遼寧錦州人，碩士，副教授，電子信息工程專業(yè)教研室主任，主要從事教學(xué)與科研工作。

Tel.：18641331553；E-mail：279901222@qq.com

TP 277

A

1006-7167(2017)01-0290-03