陳 煒，張 瑩

(渭南師范學院 物理與電氣工程學院，陜西 渭南 714000)

能源問題直接關系到國家社會經(jīng)濟發(fā)展的命脈，甚至會威脅到國家安全。煤炭資源是我國能源結(jié)構(gòu)體系中非常重要的構(gòu)成部分，為了維系社會經(jīng)濟發(fā)展，我國每年都要開采大量的煤炭資源供人們使用[1]。煤炭大多在礦井中開采，開采時會涌出很多有毒、有害和粉塵等危害性物質(zhì)，威脅礦井人員的身體健康甚至生命安全[2]。煤礦通風機可以不間斷地向井內(nèi)輸入新鮮空氣，將井內(nèi)危害性物質(zhì)排出,是確保煤炭生產(chǎn)安全的重要措施和手段，為了確保礦井絕對安全，通常要求通風機24 h不間斷工作，對通風機運行過程的穩(wěn)定性和可靠性提出了非常高的要求[3]。為了達到以上目的，需要設計監(jiān)測系統(tǒng)對通風機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)使用電纜對信號進行傳輸，在實踐應用中暴露出了很多缺陷[4]。研究基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)來構(gòu)建通風機監(jiān)測系統(tǒng)，與以往的有線電纜模式相比較展現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢。對于提升礦井通風機運行可靠性、確保煤礦生產(chǎn)安全具有重要的實踐意義。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設計

1.1 通風機的主要結(jié)構(gòu)

煤礦中通風機是保障煤礦生產(chǎn)安全的重要機電設備，主要作用是向礦井內(nèi)部輸入新鮮空氣，對井內(nèi)的環(huán)境進行調(diào)節(jié)，保障井下工作人員的身體健康甚至生命安全[5]。礦井中經(jīng)常使用的對旋軸流式通風機結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出，通風機主要由電機、一級和二級葉輪、集流器、擴壓器、整流罩和消聲器等部分構(gòu)成[6]。此類型結(jié)構(gòu)設計的能耗相對較低、工作效率高，具有很好的節(jié)能效果，在煤礦中的應用最為廣泛。

圖1 對旋軸流式通風機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of counter rotating axial flow fan

1.2 通風機主要監(jiān)測參數(shù)

通風機監(jiān)測系統(tǒng)需要重點監(jiān)測的數(shù)據(jù)主要是反映通風機運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息，包括電機的電流與電壓、定子溫度、軸承溫度及其振動情況、通風風量和負壓等，通風機監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器測量節(jié)點的分布情況如圖2所示?？梢岳秒娏孔兯推鲗﹄姎夤裰械碾娏骱碗妷簲?shù)據(jù)進行采集，并將其轉(zhuǎn)換成為標準的輸出信號，再利用無線網(wǎng)絡節(jié)點將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦た貦C中進行分析?？梢詫︼L機兩側(cè)面的靜壓差進行檢測進而計算獲得通風機的風量，利用加速度傳感器對通風機軸承的振動情況進行檢測，利用溫度傳感器對關鍵部位的溫度進行檢測；當測量得到的振動烈度超過了裝置的安全振動烈度的85%時，系統(tǒng)會向外發(fā)出預警，當通風機關鍵位置溫度超過最高安全溫度的85%后，系統(tǒng)向外發(fā)出預警。

圖2 傳感器測量節(jié)點的分布情況Fig.2 Distribution of sensor measurement nodes

1.3 無線通信網(wǎng)絡

煤礦工作環(huán)境比較復雜，使用有線電纜對數(shù)據(jù)信息進行傳輸容易受到環(huán)境條件的制約，在工程應用中暴露出了一些缺點和問題。隨著通信領域技術(shù)水平的不斷提升，當前無線網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)發(fā)展非常成熟，在很多工業(yè)領域得到廣泛應用[7]。因此，本研究在建立通風機監(jiān)測系統(tǒng)時，采用無線通信網(wǎng)絡技術(shù)對傳感器采集獲得的數(shù)據(jù)信息進行傳輸，可以更好地適應煤礦復雜的工作環(huán)境。當前能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信的技術(shù)有很多種，常見的包括WLAN技術(shù)、UWB超寬頻技術(shù)、ZigBee技術(shù)、藍牙技術(shù)以及無線射頻技術(shù)等[8]。不同的技術(shù)各自有其優(yōu)點和缺點，適用于不同的工業(yè)場合。在分析不同無線通信技術(shù)特點以及礦井實際情況的基礎上，選用ZigBee技術(shù)來搭建無線傳感器網(wǎng)絡。ZigBee技術(shù)運行時的功耗和成本均相對較低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣入m然較低但完全能滿足本系統(tǒng)實際工作需要，數(shù)據(jù)傳輸延時比較短，網(wǎng)絡節(jié)點容量較高，可以存儲更多的數(shù)據(jù)，最關鍵的是通信協(xié)議簡單，具有較高的安全性。

1.4 通風機監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設計

設計的礦井通風機監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、傳感器節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、監(jiān)測計算機等部分構(gòu)成。其中，傳感器包括電量變送器、負壓傳感器、振動傳感器以及溫度傳感器等。基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)線網(wǎng)絡包含2類節(jié)點，分別為傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，前者的任務主要是對傳感器檢測得到的數(shù)據(jù)信息進行初步整理并將其向外發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點的作用是實現(xiàn)與傳感器節(jié)點之間的通信，并作為外部系統(tǒng)的接口，整個ZigBee無線網(wǎng)絡可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送、接收及其與上位機之間數(shù)據(jù)信息的交互。

基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的煤礦通風機監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)中利用溫度傳感器對通風機和電機的軸瓦溫度進行檢測，利用振動傳感器對風機軸承垂直和水平方向的振動情況進行檢測，利用負壓傳感器對通風機的負壓和風量大小進行檢測。協(xié)調(diào)器節(jié)點與監(jiān)測計算機之間利用串行接口進行連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。傳感器節(jié)點有多個，協(xié)調(diào)器節(jié)點只有一個，它們之間構(gòu)成一個星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。監(jiān)測計算機中安裝有監(jiān)測預警軟件，可以對傳輸過來的數(shù)據(jù)信息進行處理和分析，一旦發(fā)現(xiàn)通風機的狀態(tài)數(shù)據(jù)超過了系統(tǒng)設定的安全閾值，會立即向外發(fā)出安全預警，以提示工作人員及時進行處理。

圖3 通風機監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Overall structure diagram of ventilator monitoring system

2 主要硬件設計

2.1 主要傳感器選型

對于監(jiān)測系統(tǒng)而言，傳感器是非常重要的基礎硬件設施，需要利用傳感器對通風機各種狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進行實時采集，采集的質(zhì)量和效率會對監(jiān)測系統(tǒng)運行的效果產(chǎn)生重要影響。礦井通風機監(jiān)測系統(tǒng)中結(jié)合實際情況選用的主要傳感器的型號及相關參量。①監(jiān)測指標：電參量、溫度、振動、負壓。②傳感器類型：電量變送器、鉑熱電阻傳感器、加速度傳感器、微壓變送器。③傳感器型號：JD1940-BS4I、PT100、HS-421、B0300。④輸出信號為4～20 mA。

2.2 無線節(jié)點模塊設計

(1)ZigBee芯片選擇。ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)是一個非常廣泛的概念，可以結(jié)合具體應用情況選用不同的硬件設施，進而建立不同的通信方案?？紤]到CC2430無線模塊使用的是8051處理器，該型號處理器的面世時間比較長，經(jīng)過多次產(chǎn)品的迭代研發(fā)，目前該處理器具有優(yōu)良的性能。另外，8051處理器具有很好的兼容性，可以利用多種平臺和語言對其進行開發(fā)，方便監(jiān)測系統(tǒng)后續(xù)的軟件程序編寫[9]。CC2430無線模塊處理器為8051，屬于8位處理器，完全能夠滿足系統(tǒng)的需要，可編程閃存和RAM的大小分別為128 KB和8 KB，包含有最高14位的ADC轉(zhuǎn)換器接口，可以同時與多個傳感器進行連接接收數(shù)據(jù)信息。

(2)無線節(jié)點模塊設計。選用的CC2430無線模塊屬于高度集成的芯片，芯片內(nèi)部已經(jīng)設置有大量的電路，包括ADC轉(zhuǎn)換、實時時鐘等。所以,基于CC2430無線模塊開展無線節(jié)點模塊設計工作時，只需在此基礎上增加設置部分外圍電路即可。CC2430無線模塊原理如圖4所示。

圖4 CC2430無線模塊原理示意Fig.4 Schematic diagram of CC2430 wireless module

2.3 傳感器節(jié)點硬件設計

(1)傳感器節(jié)點整體結(jié)構(gòu)。監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖5所示，整個傳感器節(jié)點由多個部分構(gòu)成。其中，利用負壓傳感器和振動傳感器檢測獲得的數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路處理后可以與CC2430主控芯片進行連接，溫度傳感器可以通過電橋測溫電路實現(xiàn)與芯片之間的連接。CC2430主控芯片內(nèi)部自帶有A/D轉(zhuǎn)換電路，上述傳感器檢測獲得的模擬量數(shù)據(jù)信息傳入到芯片內(nèi)部后，可以利用該電路對模擬量數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字量信號后再進行處理分析。外部傳感器接口的主要作用是實現(xiàn)傳感器與主控芯片之間的連接。另外還包括按鍵控制模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、天線接口模塊等。電源轉(zhuǎn)換模塊的作用是對電壓進行轉(zhuǎn)換，選用的型號為BSD5-24D15，此模塊中選用的轉(zhuǎn)換芯片及放大器具體型號為LM2576和LM324。按鍵模塊的作用是實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的通信控制，也可對無線傳感器節(jié)點進行復位處理。

圖5 無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)框架Fig.5 Structural framework of wireless sensor nodes

(2)電壓轉(zhuǎn)換模塊。傳感器節(jié)點中包含有很多類型的硬件設施，不同類型硬件設施對供電電壓的需求量存在很大差異。為了適應不同硬件設施的穩(wěn)定工作基本需要，要求設計電壓轉(zhuǎn)換電路對電壓大小進行轉(zhuǎn)換，以便提供不同形式的電壓。結(jié)合實際情況，設計的電壓轉(zhuǎn)換電路原理如圖6所示。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換電路原理Fig.6 Principle of voltage conversion circuit

在通風機監(jiān)測系統(tǒng)中負壓傳感器和振動傳感器需要利用24 V直流電壓對其進行供電，電源模塊BSD5-24D15需要用15 V電壓對地進行供電，其他硬件設施，比如CC2430主控芯片需要利用3.3 V直流電壓對其進行供電?；谝陨蠈嶋H情況，監(jiān)測系統(tǒng)利用24 V直流電壓對整個系統(tǒng)進行供電，然后利用圖6的電壓轉(zhuǎn)換電路將24 V電壓轉(zhuǎn)換成15 V和3.3 V電壓，這樣可以很好地滿足不同硬件設施的供電需求。根據(jù)實際測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用該電路進行轉(zhuǎn)換時可以將電壓的輸出精度控制在±1%以內(nèi)。

(3)電流輸出信號調(diào)理電路。為了滿足監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需要，針對每個無線傳感器節(jié)點都設置有多路溫度信號、振動信號和負壓信號[10]?？紤]到CC2430主控芯片ADC采樣模塊只能對數(shù)字量信號進行收集，但利用各類傳感器檢測得到的輸出信號均為4～20 mA的電流信號。因此，需要設計監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號。監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換電路原理如圖7所示。利用該電流輸出信號調(diào)理電路可以將4～20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換成為0～3 V的電壓信號，進而被CC2430主控芯片進行分析與處理。

圖7 監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換電路原理Fig.7 Principle of monitoring signal conversion circuit

2.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計

監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖8所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點中選用的主控芯片與傳感器節(jié)點相同，即CC2430。還包括天線接口模塊、調(diào)試接口模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、串口模塊、按鍵控制和LED指示模塊等，其他模塊全部與CC2430主控芯片連接。電源轉(zhuǎn)換模塊選用的適配器為5 V，需要利用電源轉(zhuǎn)換芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換成為3.3 V電壓，以便對主控芯片進行供電，其中電源轉(zhuǎn)換芯片的具體型號為AS1117-3.3 V。RS232/RS485串口模塊的作用是與監(jiān)測計算機進行連接，實現(xiàn)與計算機之間的數(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)中串口模塊選用芯片型號為MAX3232E，芯片正常工作時需要利用3.3 V的電壓進行供電。基于RS323/RS485通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸速率以及數(shù)據(jù)的安全和可靠。LED指示模塊的作用是對協(xié)調(diào)器的工作狀態(tài)進行指示，以便工作人員能夠更好地掌握協(xié)調(diào)器的工作狀態(tài)。按鍵控制模塊的作用與傳感器節(jié)點中的按鍵控制模塊基本相同，就是對協(xié)調(diào)器與傳感器之間的通信過程進行控制，并對各種硬件設施進行復位處理。

圖8 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of coordinator node

3 通風機監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

利用KingView 6.53軟件對通風機監(jiān)測系統(tǒng)的軟件程序進行開發(fā)，利用該軟件平臺進行開發(fā)的主要優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)圖形化、可視化、直觀化數(shù)據(jù)信息的展現(xiàn)，能夠非常直觀地對通風機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行顯示?；谀K化思想對監(jiān)測系統(tǒng)的軟件程序進行設計開發(fā)，主要的畫面包括數(shù)據(jù)信息報表界面、監(jiān)測預警畫面、監(jiān)測報警畫面。在通風機監(jiān)測系統(tǒng)軟件的預警界面中，可以看出整個畫面主要由兩大部分構(gòu)成，分別為通風機監(jiān)測示意圖和通風機趨勢曲線。預警界面通過數(shù)據(jù)及其隨時間的演變曲線非常直觀地展示各個節(jié)點的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，工作人員通過預警畫面可以實時掌握通風機各個節(jié)點狀態(tài)的演變趨勢。

報警畫面的主要作用是一旦監(jiān)測系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)通風機某個位置存在安全隱患時，會通過該畫面發(fā)出報警，同時對相關數(shù)據(jù)信息進行保存記錄，以便后續(xù)查詢使用。報警畫面以彈窗的形式出現(xiàn)，同時伴隨報警語音，工作人員對相關問題進行處理完畢后才能將報警畫面確認關閉。數(shù)據(jù)報表界面包含2種形式，分別為日報表輸出和查詢報表輸出。監(jiān)測系統(tǒng)每天會自動生成日報表進行輸出保存，重點對報警記錄數(shù)據(jù)進行保存，包括報警次數(shù)、時間以及具體問題等。查詢報表輸出是根據(jù)工作人員實際需要針對性地輸出數(shù)據(jù)信息。

4 應用效果

為了對上文研究的基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的煤礦通風機監(jiān)測系統(tǒng)的性能進行驗證，將系統(tǒng)部署到煤礦工程實踐中，并對其各項性能進行實踐測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測系統(tǒng)正式投入使用以后，各項功能均達到了預期效果，可以實時掌握礦井通風機的運行狀態(tài)，徹底改變了礦井通風機處于半失控狀態(tài)的局面。有了通風機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息后，設備運維人員可以對這些數(shù)據(jù)進行分析研究，可以更加深入地掌握通風機的工作狀態(tài)。更重要的是系統(tǒng)具備有安全預警功能，一旦發(fā)現(xiàn)通風機狀態(tài)存在安全隱患時，會立即向外發(fā)出警報，提示工作人員及時采取有效措施進行處理，避免小隱患引發(fā)大的安全事故?？傊?，監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦通風機中的成功實踐應用，不僅降低了通風機設備的運行故障率，為企業(yè)節(jié)省了一定的設備維護保養(yǎng)成本，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟效益。更重要的是提升了礦井通風機運行過程的穩(wěn)定性和可靠性，為煤礦安全生產(chǎn)奠定了堅實的基礎，創(chuàng)造了較好的安全效益。

5 結(jié)論

以煤礦中使用的通風機為對象，基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)建立了監(jiān)測系統(tǒng)，所得結(jié)論主要如下。

(1)選用ZigBee無線技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡，可更好地適應礦井工作環(huán)境。監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感器對通風機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，通過傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)以無線的形式輸送給協(xié)調(diào)器，進而傳輸?shù)奖O(jiān)測計算機中進行分析處理。

(2)電量變送器、鉑熱電阻傳感器、加速度傳感器、微壓變送器的型號分別為JD1940-BS4I、PT100、HS-421、B0300。ZigBee無線模塊的傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點中使用的主控芯片型號為CC2430。

(3)基于模塊化思想對監(jiān)測系統(tǒng)的軟件程序進行設計，監(jiān)測系統(tǒng)的畫面主要有實時監(jiān)控畫面、報警畫面和數(shù)據(jù)報表畫面，不同畫面可以實現(xiàn)不同功能。

(4)將設計的通風機監(jiān)測系統(tǒng)部署到煤礦工程實踐中，取得了較好的應用效果，各項功能都得以實現(xiàn)，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益和安全效益。