由于煤礦基本存儲在地下，礦井工作面在開采過程中會聚集大量的瓦斯氣體，若礦井的通風性能不好，使礦井中的溫度增加，礦井的瓦斯濃度、氧氣濃度、溫度及通風性能等均將對整個煤礦的安全生產構成嚴重威脅[1]。據統計，僅2013年，全國發生了將近600起煤礦事故，造成了將近1000人死亡，主要原因則是井下的瓦斯濃度較高所導致，嚴重影響井下的煤礦開采量，給企業及家庭造成了重大損失。采用當前更加成熟先進的自動化遠程監控技術，對礦井中的瓦斯濃度進行實時遠程監控，成為當前實現礦井智能化升級改造、降低礦井瓦斯事故發生概率的重要途徑[2]。為此，從總體方案及關鍵分系統等方面設計了一套礦井安全監控系統，并將系統進行了現場應用，驗證了該系統的可靠性及安全性。對有效監控井下瓦斯濃度、提高礦井安全生產提高了重要保障作用。

　　1煤礦安全監控系統現狀及問題分析

　　隨著技術發展，當前國內各個領域的智能化安全監控技術已較為成熟，達到了國際先進水平，在礦井中設計安裝了安全監控系統，但整個系統在實際運行過程中仍存在較多問題，主要體現在以下方面。(1)礦井安全監控系統對數據的處理能力較弱。當前礦井安全監控系統僅能對較少數據進行采集、分析及處理，隨著礦井智能化的不斷升級，系統需對越來越多的數據信息進行分析處理，導致當前的安全監控系統整體的信號處理能力無法滿足需求現狀[3]。(2)部分安全監控系統所采用的瓦斯濃度傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器等質量較差，耐潮及防護等級等方面相對較差，在儀器使用一段時間后，則會出現檢測精度不夠、數據傳輸不及時等問題，整體使用壽命及可靠性有待提高。(3)井下各類傳感器的分布數量及位置不夠，無法實現對礦井中較大區域的全覆蓋監控。(4)當前監控系統所采用的通訊方式仍以傳統的鋪設電纜方式進行通訊連接，在實際使用中極容易造成電纜的破壞、信號中斷等問題，同時電纜的電磁屏蔽效果較差，所傳輸的數據存在信號質量較差、不穩定等問題，極容易造成系統的判斷不準或誤判斷等問題[4]。為此，將先進的自動化遠程監控技術應用到礦井的安全監控中，實現對礦井生產過程的更加安全監控，是解決目前問題的關鍵有效措施。

　　2監控系統總體方案設計

　　基于礦井安全監控系統的原基礎，對監控系統進行升級設計。所設計的安全監控系統包括了終端傳感器節點、路由器節點、數據處理中心、網絡協調節點及上機位等部分，如圖1所示。其中，系統的網絡則利用ZigBee網絡進行各數據之間的通訊，通訊接口則采用了RS485[5]。終端傳感器節點處則配備了瓦斯濃度傳感器、溫度傳感器、氧氣傳感器、濕度傳感器，并將其更加密集的分布在礦井中的相關區域，采用的傳感器具有一定的抗爆等級、防護等級達到了IP56，所采集的相關數據經過A/D數據轉換后，利用ZigBee網絡傳輸至CC2530主控芯片中進行分析、邏輯判斷及處理。之后將分析數據經過網絡協調器節點的接收匯總后，傳輸至遠端的上機位安全監控中心，人員可通過系統的顯示界面對礦井中的各類狀態進行實時監控，當檢測到井下的各項參數超過相關安全值時，顯示界面則會發出相應的聲光報警提示，并對具體的超標參數值及異常區域位置進行實時顯示，人員則可及時向礦井中發生預警提示。另外，該系統中的上機位配備了較大容量的存儲模塊，能對數據進行計算存儲。整體系統有效解決了因現場布線所帶來的布線復雜、監控范圍窄等問題，實現了對礦井中瓦斯濃度、溫度、氧氣等參數的遠程化無線監控，提高了整個礦井的智能化程度及生產安全性。圖1安全監控系統總體框架圖

　　3關鍵分系統設計

　　3.1CC2530主控芯片設計

　　控制芯片是整個安全監控系統的核心部件，為實現系統中數據的無線傳輸及接收，選用了市場上較為成熟的CC2530主控芯片。該芯片是有TI公司研發的無線傳輸芯片，具有靈敏度高、性能穩定、抗干擾性能強、芯片體積小等特點，輸出功能為4.5dBm，發射模式電流損耗為29mA，I/O引腳則包括了P0～P7等，其中，P1和P2則主要負責20mA電流的輸出;芯片的電源引腳則包括了AVDD1～AVDD6及DDV1等，可向外輸出2～6V的電信號和模擬信號;RESET-N則是控制引腳[6]。整個芯片由于體積較小，整體性能較好，能較好的適用于井下的復雜地址條件，具有接收及發射功率高等特點。3.2瓦斯濃度檢測電路設計瓦斯濃度檢測電源是整個監控系統中的關鍵電路。因此，選用了具有靈敏度高、抗干擾性強的MJC4/3.0L型瓦斯濃度傳感器作為整個檢測電路的核心部件，其工作電流為110mA，濃度測量范圍為0～100%LEL，工作電壓為3V。在該傳感器中，D和C分表作為檢測及補償的元器件，并與3V的電壓平臺進行連接，當檢測到外部的瓦斯濃度增加時，電橋則發生平衡失效輸出大于0的參數。同時，為更好的保證輸出信號能更好的被MJC4/3.0L型瓦斯濃度傳感器檢測到，在信號輸出端設計了一個電壓放大電路，再對其進行A/D數據轉換，輸出的電壓信號經過放大后與I/O接口進行連接，實現參數的無線傳輸。所改造后的瓦斯濃度檢測電路如圖2所示。

　　3.3天線連接電路設計

　　由于此監控系統采用了無線遠程監控方式進行數據傳輸，故需選匹配合適的外接天線。由于礦井中各區域的信號及檢測信號略有不同。故在環境空間充足、信號可靠性要求較高的區域，采用了SMA型的外接天線，該天線的增益達到了5dbi;針對環境空間緊促，無法使用足夠空間進行監控區域，選用了9.5mm×2mm×1mm的陶瓷芯片天線，該天線的增益效果為4dbi，基本能滿足該區域空間的檢測要求。天線連接電路圖如圖3所示。

　　3.4軟件分系統設計

　　整個安全監控系統的軟件部分包括了軟件操作系統和數據庫系統。其中，軟件系統則主要基于Windows系統進行設計，包括、組態工具模塊程序、數據庫管理主程序、通訊管理模塊程序、顯示模塊等部分，其控制流程為:打開操作界面后，系統進行自檢后完成系統的初始化設置，執行讀取數據庫中的信息，并自動創建實時數據庫，之后將數據經過RS485接口和以太網傳輸至通訊模塊中，實現整個井下安全監控數據在礦井中的實時傳輸通訊，該安全監控系統的通訊管理模塊控制流程圖如圖4所示。

　　4監控系統應用效果

　　為更好的驗證該礦井安全監控系統的綜合性能，將其在礦井中進行了實地測試，分別對系統的瓦斯濃度檢測性能、障礙傳輸性能、通訊距離及綜合性能進行了測試。通過測試得出:整套系統運行正常，能準確的對井下的瓦斯濃度、溫度、氧氣濃度等指標進行準確檢測，并將監測數據通顯示界面進行實時顯示;各檢測點的相關參數也能通過數據調取方式進行信息查看。同時，測試了系統的有無障礙物傳輸距離，在無障礙條件下可實現對2km距離的數據接收，在有障礙物條件下可實現對1.5km距離的數據接收，接收距離相對較長。當監測數據出現超過相應的安值時，系統能發出相應的聲光報警提示，人員可根據報警提示及時采取安全處理措施，以保證礦井的作業安全性。整個系統的運行效果達到了預期效果。驗證了該系統的可靠性及可行性。

　　5結語

　　不斷對當前礦井安全監控系統進行升級改進，將當前更加先進的PLC遠程控制技術應用到礦井的安全監控中，實現礦井作業條件的安全全面監控，已成為當前企業重點考慮方向。為此，在分析當前礦井監控系統現狀基礎上，開展了監控系統的總體及關鍵分系統的設計研究，并將系統進行了實際應用分析，得出該監控系統運行良好，具有更好的監控功能及穩定性，能更好的礦井中瓦斯濃度、溫度等進行精準監控，信號傳輸距離明顯增長，整個應用效果達到了預期效果。所設計的安全監控系統具有重要的推廣價值及意義。

　　參考文獻:

　　[1]王龍.煤礦安全監控系統升級改造及關鍵性技術[J].礦業裝備，2021(2):234-235.

　　[2]于霞.基于以太網的煤礦安全監控系統研究[J].當代化工研究，2021(4):61-62.

　　[3]楊星輝.煤礦安全監測監控系統應用探析[J].機電工程技術，2021，50(2):237-238+244.

　　[4]張宇.煤礦安全監測監控系統應用與實踐[J].大眾標準化，2021(2):157-158.

　　[5]王明敏.煤礦安全生產中視頻監控技術的應用[J].能源與節能，2020(12):159-160+192.

　　[6]孟建.分布式全融合KJ335X煤礦安全監控系統[J].信息化研究，2020，46(4):67-72.

　　《基于無線傳感器網絡的煤礦安全監控系統設計應用》來源：《機械研究與應用》，作者:韓葶