（检测技术与自动化装置专业论文）基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实现.pdf

顷： ：论文 皋十无线通信的煤矿安伞信息移动终端的实现 摘要 针对我国煤矿生产中瓦斯爆炸等矿难事故频发，而又缺乏一套完善的安全监管模式 的问题，本论文根据“人机联防”的安全管理理念，提出了一套人机结合( 矿工+ 有害 气体探测装置+ 通讯装置) 的安全信息检测预报警解决方案，形成了一种克服传感器钝 化及可靠应用的难题的新方法，即井下有害气体检测与井上自适应校准来解决传感器可 靠应用的难题的新方法，完成了移动矿工设备的软硬件系统设计与实现。 煤矿安全信息移动终端是煤矿安全监控系统的重要组成部分。系统采用了基于 a r m 7 体系架构的l p c 2 1 0 3 作为核心处理器搭建了完整的硬件系统，其中瓦斯传感器 t g s 6 8 1 2 和数字温湿度传感器s h t l l 用于井下数据采集，基于z i g b e e 通信协议的s z 0 5 系列嵌入式无线通信模块实现终端与基站之间的数字通信和语音通信，语音芯片 m c l 4 l c 5 4 8 0 与话筒麦克等实现语音编码信号的采集与模拟话音的输入输出；在此硬件 基础上，通过编写软件程序实现了瓦斯气体浓度数据和温湿度数据的采集、处理，井上 监控中心与终端的通话、终端之间的通话，自动通过嵌入式无线通信模块向基站或上位 机发送相关信息，接受并处理上位机相关命令，驱动状态指示灯、报警电路工作等功能； 最后，对终端系统进行实验调试并编写上位机监控程序测试终端系统功能，系统运行正 常，功能完备，达到了预期的效果。 关键词：煤矿安全监控系统，a r m ，z i g b e e ，传感器，语音通信 a b s t r a c t硕l 论文 a b s t r a c t an e ws e to fm a n m a c h i n es o l u t i o n s ( m a n + h a z a r d o u sg a sd e t e c t i o nd e v i c e s + c o m m u n i c a t i o nd e v i c e ) a b o u tp r e - a l a r m i n go fs e c u r i t yi n f o r m a t i o nw a sd e v e l o p e db a s e do n t h ec o n e 印to fs e c u r i t ym a n a g e m e n to f “m a na n dm a c h i n e r yi o i n td e f e n s e m ss o l u t i o n o v e r c o m et h ep r o b l e m so fp a s s i v a t i o na n dr e l i a b l ea p p l i c a t i o n so ft r a d i t i o n a ls e n s o r sf o ri t s o l v e st h er e l i a b i l i t yp r o b l e m sb yd e t e c t i n gh a z a r d o u sg a su n d e r g r o u n da n dt h ei n o u e s a d a p t i v ec a l i b r a t i o n t h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fm o b i l em i n ee q u i p m e n t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mw e r ec o m p l e t e d t h em o b i l et e r m i n a l sf o rs a f e t vi n f o r m a t i o no fc o n lm i n ea r ea ni m p o r t a n tp a r to fs a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mo fc o a lm i n e t h eh a r d w a r es y s t e mw h i c hu s el p c 210 3b a s e do nt h e a r m 7a r c h i t e c t u r ea sac o r ep r o c e s s o r sw a ss e tu p t h eg a ss e n s o rt g $ 6 812a n dt h ed i 画t a l t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o r ss h t l lw e r eu s e df o rd a t ac o l l e c t i o ni nm i n e a n ds z 0 5 s e r i e so fe m b e d d e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do nz i g b e ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lw a su s e df o rv o i c ec o m m u n i c a t i o n sa n dd i g i t a ic o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e t e r m i n a l sa n dt h eb a s es t a t i o n ，a n dv o i c ec h i pm c14 l c 5 4 8 0 ，m i k ea n dm i c r o p h o n ew a su s e d f o ra c q u i r i n go ft h es p e e c hc o d i n gs i g n a l sa n di n p u t & o u t p u to fa n a l o ga u d i o b a s e do nt h e h a r d w a r es y s t e m ，t h es o f t w a r er e a l i z e st h ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s so fg a s t h i c k n e s s ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i w , c a l l i n gb e t w e e nt h em o n i t o rc o m p u t e ra n dt e r m i n a l s ， c a l l i n gb e t w e e nt e r m i n a l s ，s e n d i n gt h er e l e v a n ti n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l yt ob a s es t a t i o no r h o s tc o m p u t e rb ye m b e d d e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，r e c e i v i n ga n dd e a l i n gw i t ht h e c o m m a n d sf r o mt h eh o s tc o m p u t e r , d r i v i n gs t a t u si n d i c a t o r sa n da l a r m i n gc i r c u i t s e t c f i n a l l y , t h et e r m i n a ls y s t e mw a se x p e r i m e n t e da n dd e b u g g e d a n ds o f t w a r eo fp cm o n i t o r w a sp r o g r a m m e dt o t e s tt h et e r m i n a ls y s t e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es y s t e ml u l l s n o r m a l l y , m l f e a t u r e d w h i c ha c h i e v e dt h ed e s i r e dd e m a n d s k e yw o r d s ：t h es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m so fc o a lm i n e ，a r m ，z i g b e e ，s e n s o r s ，v o i c e c o m m u n i c a t i o n s u 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：礁太篷 力1 年多月洱日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 1 年舌月妒 硕士论文基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实现 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 我国煤矿安全生产的形势非常严峻，瓦斯灾害事故频繁，瓦斯爆炸、顶板、突水等 重特大事故时有发生。虽然我国煤矿的瓦斯灾害防治技术，如煤矿瓦斯突出预测，以及 防灾抗灾的安全仪表和装备有所提高，但“煤矿矿井瓦斯监控系统 中的初级仪表技术 水平及系统校验管理方法较为落后，致使监测瓦斯数据的准确性和可靠性不足。造成“煤 矿矿井瓦斯监控系统 管理方式，主要是由管理人员凭主观意识和经验进行工作。这种 管理模式，由于受管理人员的知识、经验和责任心的限制，很难适应矿井瓦斯灾害事故 的复杂多变条件，这也是瓦斯灾害事故多发的原因之一。所以加强煤矿“移动式矿工有 害气体探测及安全信息通讯装备”的应用，将为我国煤矿井下有害气体突出快速预测、 灾害防治、人员救助等起到强有力支撑作用。其中，煤矿井下有害气体为c h 4 、c 0 2 或 c o 气体【1 】【2 1 。 由于煤矿安全在煤炭生产中占有特别重要的地位。煤矿事故发生的主要形式为瓦斯 爆炸、瓦斯突出及中毒窒息。咎其原因主要为： ( 1 ) 地质条件变化使掘进面或工作面的瓦斯异常涌出并大量积聚。 ( 2 ) 全局和局部通风结构及管理不善，导致异常涌出的瓦斯得不到排除或稀释。 ( 3 ) 现场监控报警手段落后，不能及时发现和排除事故隐患，不能及时发出报警。 ( 4 ) 上级煤管机关对各矿井下瓦斯变化，缺少直接、定量、有效、客观的监控条件 与手段【2 1 。 我国煤矿的自然条件复杂，煤矿的瓦斯灾害防治技术，如煤与瓦斯突出预测，以及 防灾抗灾的安全仪表和装备与国外相比差距较大，如安全仪表中的初级仪表的技术水平 大大低于国外先进水平，致使监测瓦斯数据的准确性和可靠性不足。由于煤矿井下湿度 过大及爆炸气体环境等原因，致使我国矿难事故频频发生。煤矿的自动化监测、控制应 用水平与其它行业相比要落后1 0 - 2 0 年。所以加强“煤矿井下无线局域网瓦斯监测及 安全信息通讯系统 应用，开发一种矿工便携式煤矿安全采集终端，在许多地点尤其是 危险性大的掘进面实时采集数据、快速检测，突水、顶板事故及救灾信息，通过无线通 讯快速反应到监控中心。有利于在矿井瓦斯浓度超标的情况下及时疏散工作人员和展开 营救工作，将为我国煤矿瓦斯突出快速预测、灾害防治、人员救助等起到强有力支撑 2 - 5 j 。 1 2 煤矿瓦斯安全监控系统的国内外研究现状 我国煤矿检测监控系统应用较晚，上世纪8 0 年代，从国外引进了一批安全监控系 l 绪论硕士论文 统装备了部分煤矿；在引进国外技术的基础上，通过消化吸收，结合我国煤矿的实际情 况先后研制了多种监控系统，这些系统在我国煤矿中大量使用。实践表明，这些安全监 控系统为我国煤矿安全生产和管理起到了非常重要的作用。但是这些系统由于年代较 早，技术水平低、功能和扩展性能差、现场维护和技术服务跟不上，有些设备已经淘汰 或停产。造成了相当一部分矿井无法继续正常使用己装备的系统。这些老系统由于服务 年限己到，已经没有维护的必要了，煤矿安全系统面临更新换代的机遇。随着电子技术、 计算机软硬件技术的迅猛发展和煤炭企业自身发展的需要，国内各厂家和科研单位又相 继开发出了一些新的监控系统，在“以风定产，先抽后采，监测监控 【3 】十二字方针和 煤矿安全生产规程有关条款规定了我国各种类型煤矿的高瓦斯和瓦斯突出矿井必须装 备矿井检测监控系统，这为国内大大小小的安全系统生产厂家的出现提供了机会。也为 用户提供了更多的选择机会、促进了厂家提高产品质量和服务意识 3 卅。 国内外各主要科研单位和生产厂家推出了多种监控系统，监测管理系统由早期的地 面单微机监测监控已发展到网络化监测监控，以及不同监测监控系统的联网监测。瓦斯 监控由监控中心、数据通信通道、井下瓦斯数据采集与预警控制等部分组成，完成监控 数据的采集、传输、处理及预警控制。虽然我国煤矿安全监控检测技术有了极大的进步， 但是现有的井下安全检测系统基本仍是在原有瓦斯监测系统进行技术改造，系统的可靠 性、准确度较低，并功能单一。所以，现有的井下安全检测系统，远远不能满足我国煤 炭行业生产安全监管的需要【5 8 1 。 传统的瓦斯检测监控系统有着明显的缺陷，系统中瓦斯检测可靠性与可信度低，安 全监控与生产监控相互影响决策。容易造成生产监控为主，而安全监控为辅。在解决瓦 斯突出及爆炸问题，必须加强对瓦斯的监测监控，而瓦斯检测的传感器直接关系到煤矿 安全监测系统的可靠性和灵敏度，对监测监控起着决定作用。当今我国煤矿都采用矿用 固定式甲烷传感器组成的瓦斯监测系统，已成为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键技 术装备。图1 1 为现有矿用固定式瓦斯监测系统井下部分组成图，该井下“矿用固定式 瓦斯监测系统”在设计方案中存在以下几点不足： ( 1 ) 因矿用固定式甲烷传感器长期在井下使用，井下环境较为恶劣( 潮湿、粉尘、 有害气体) ，使瓦斯探测载体催化元件一直存在使用寿命短( 钝化) 、工作稳定性差，而 且需要经常井下系统调整校正、工作频繁等缺点； ( 2 ) “矿用固定式瓦斯监测系统 功能单一，并无法在掘进工作面安装，进行瓦斯 突出前期动态监测； ( 3 ) “矿用固定式瓦斯监测系统 需要安全员每天下井，负责任的进行每个甲烷 传感器调整校正，可靠性很低，井下矿工“人、机 事故联防无法实现； ( 4 ) 布线复杂繁琐，线路的依赖性强 维护安装成本比较大，监测系统所用的大量光缆、电缆价格比较高，另外在复杂的 2 咧士论文基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实珊 地下环境邗设线路需要消耗大量的物力人力。有线网络的自我修复性能比较差，局部线 路所遭到的破坏很可能造成整个监测监控系统的瘫痪； ( 5 1 覆盖区域有限 有线监测系统不可能遍布矿井的每个地区，只能测量固定地方的瓦斯浓度，有测量 盲区，不能保证许多地点尤其是危险性大的掘进面的检测，更不可能实现对整个矿井的 全方位监测，对预防灾害和井下监控非常不利，为煤矿的安全生产留下了隐患4 6 j f 7 1 1 ”。 瓦舒 圈il 现有矿用固定式瓦斯监测系统井下部分 由于有线监控网络自身不可克服的缺点所| 三i 无线通信网络技术的普遍及对煤矿安 全生产工作的推动作用将越来越显著。目前已经或即将在煤矿矿井中应用的无线通信网 络技术，主要有下列几种： r 1 1 手持式无线电对讲机系统。使用方便，但只能传话音，不能传输数据，没有联 网能力，并且使用距离不超过2 0 0 米，只能在视距内使用。 f 2 、泄漏电缆通信系统。利用电缆的辐射特性，在井下巷道铺设泄漏电缆。可双向 通信，终端可以是对讲机或无绳电话。该系统的优点是覆盖性能比普通对讲机要好能 够把井上井下联成网络；缺点是带宽窄，缺乏数据传输机制并且终端设备必须非常靠 近泄漏电缆。 r 3 1 甚低频寻呼机应急系统。这是个单向低速率通信系统，通过在地面架设的长波 天线，向井下矿工携带的收信机发送呼叫信息。优点是有一定的抗灾能力；缺点是通信 带宽很窄，每分钟仅能传递几十个字节的数据，实际使用时还会干扰其池无线通信系统， l 绪论硕【：论文 并且天线庞大，安装维护不方便。 ( 4 ) 中频无线通信系统。工作于中频频段的半双- r - _ 带f j 式矿井救灾通讯设备。借助于 井下现有电缆、管道等金属体来传导电磁波。系统由移动台和基地台组成，井下人员使 用移动台，自动调谐器可在井下恶劣环境中锁定最佳的通信波段以确保通信效果；基地 台设置于地面调度室，装备大口径环形天线。 ( 5 ) 高频井下无线定位系统。利用无线基站定位原理，在矿井中每间隔一定距离设 置一个基站用于定位，基站之间用电缆连接，基站设备读取周围专用定位仪发出的信号， 用以确定其存在。基站距离不能太大并且系统精度较差。 ( 6 ) r f i d 非接触式定位和考勤系统。r f i d 技术简单可靠，成本低，广泛应用于井 下考勤。这项技术的缺点是它只支持单一应用，所以并不是严格意义上的通信系统。 ( 7 ) 无线局域网。近年来发展较快的无线宽带技术，成本较低，适合大范围地铺设。 在这样的基础设施上，可以方便的应用各种技术，包括语音、数据甚至图像的实时传输。 无论是在煤矿安全监控方面还是无线定位方面，无线局域网技术无疑是未来煤矿监测领 域最有发展前途的技术。现有的、流行的短距离无线通讯技术主要有w i f i 、b l u e t o o t h 、 u w b 、z i g b e e 等【1 啦! 引。 国外发达国家采矿行业非常注重人员的安全生产，积极在井下开展分布式无线数字 通讯的研究，重点应用在生产安全的防护。无线数字通讯网络的普遍应用，对煤矿安全 生产工作起到显著的推动作用。国内外都在研究无线网络在矿井下的应用，经过十几年 的研究与开发，已有很多种无线通信方案付诸实施。美国实践证明，新技术的采用可以 大幅降低煤矿安全事故的发生概率。新技术和信息化技术的广泛采用，增强了煤矿丌采 对安全隐患的预见性并且可为制定救险预案提供帮助。美国矿业安全与卫生署报告称 “我们将优先考虑那些不依赖有线骨干( 线路) ，并且在发生冒顶、漏水、着火和爆炸事 故时具有最大存活潜力的( 无线通信和定位跟踪) 系统 ，明确表现出优先采用无线网络 系统的态度。美国己经采用和即将采用的无线通信和井下定位系统包括各种标准，其中 符合i e e e 8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 5 4 标准的先进通信( 网络) 系统正在获得美国矿业安全与卫生 署( m s h a ) 的认证。澳大利亚煤炭资源丰富，基于i e e e 8 0 2 1 1 b 无线网络技术的煤矿 井下无线电话系统是由澳大利亚人首先开发出来的。此类系统在澳大利亚得到了广泛的 应用。这些系统用于井下通信和定位，对加强矿井信息管理、提高生产安全方面发挥了 积极的作用。世界上其他国家也都在研发和设置包括无线局域网在内的各种先进的通信 系统，这些系统承担着井下通话、人员定位、紧急救援通信等任务【l o 】【1 1 】。 在国内，矿井下使用无线通信系统还不太多，仅有寥寥几个国有大型煤矿使用了无 线电通信技术。这些系统包括无线对讲系统、长波无线电寻呼系统、高频泄漏电缆通信 系统等。但在实际应用中这些系统普遍存在各种问题： 这些无线系统的井下覆盖率都偏低，一般都不能达到3 0 的水平。占巷道总长三分 4 硕- l 论文基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实现 之二以上的支巷、开采面、掘进面基本上没有被覆盖，这些区域是特别需要依赖无线通 信技术实现非接触式监控的地方；国内煤矿安全系统联网能力差，虽然大中型煤矿近年 来在信息化建设得到了长足进展，但是由于受通信系统体制的限制，还是难以实现煤矿 信息的广域互联( 要经过复杂的中间转换环节) 【1 1 】【1 9 】【2 0 】。 如果要研发一种可以覆盖井下大部分或全部分的监控系统，那么新技术和新思想的 引入是十分必要的。本科题的提出正是基于“人人都是安全员，有人的地方就有安全“的 思想。充分发挥人的能动性，将移动矿工设备安装在矿工矿帽上，保证许多地点尤其是 危险性大的掘进面的检测。此外，由于煤矿井下环境复杂，仅仅检测瓦斯气体浓度等信 息参数不足以从根本上杜绝矿难的发生( 例如矿井发生冒顶塌方、透水等事故是不能由 传感器来检测的) 。因此开发一种可以在矿工采掘面实时采集数据，并且在灾害发生时， 能快速通报事故性质、危险性的系统，对于煤矿工作人员准确地确定事故地点快速、有 针对性地采取措施十分必要。 1 3 课题的提出及整体性设计介绍 本课题的提出是基于移动式煤炭瓦斯检测及生产安全监管的项目，重点研究开发无 线局域网瓦斯检测及安全信息通讯终端矿工装备、静态瓦斯检测无线通讯网桥以及系统 软件开发。整个课题由我们研究小组共同开发，本人负责煤矿安全信息移动终端的设计。 煤矿安全生产监管及控制信息平台是由地面安全监管控制系统与井下分布式无线 局域网瓦斯监测及安全信息通讯系统所组成。其中无线局域网瓦斯监测及安全信息通讯 系统主要由无线局域网瓦斯检测及安全信息通讯终端与静态瓦斯检测无线通讯网桥进 行移动式双工语音及数据通讯。完成井下瓦斯检测、突发事故信息、人员分布、救援等 信息的传输。 由于煤矿井下环境复杂，必须要在出现异常时能快速通报事故情况下、准确地确定 事故地点、准确地采取措施和有针对性的通报事故性质及危险性。为了达到这一要求， 仅仅在矿工随身携带的移动信息终端上安装报警提示装置显然是不能达到要求的。本课 题所述煤矿安全信息移动终端将有害气体传感器、检测微处理器电路、c a n 总线、安 全信息移动通话终端等装置与矿工安全帽、矿灯进行整体设计，实现硬件的创新组合， 并通过井下固定无线通讯基站( 井下每1 0 0 米左右布置一个，用于井下数据接收转发和 通话) 实现实时移动无线通讯，矿工安全数字化装备充一次电，可在作业时间内进行安 全信息通讯。无线通讯基站或移动矿工终端可通过现场基站控制器与安全管理中心机房 进行语音通讯，以及有害气体监测信息的传输。在出现透水、顶板等传感器不能检测到 的突发事故时，矿工可以通过语音通信功能快速进行语音通话报警。使该矿工装备及监 测系统体现“人、机结合，达到安全生产事故人机联防的管理机制，做到井下“人人 都是安全员、事故灾害的检查员，【到。 s l 绪论 硕上论文 矿用固定式甲烷传感器在井下非常容易出现中毒现象。就象人在吸烟的房间内时间 长了，鼻子钝化( 中毒) 无法嗅到烟味一样，若人经常进出吸烟房间，人在室外环境有 一个自适应校准参考室外环境，在进入吸烟房间就能嗅到室内烟味【2 1 。“自适应校准 的技术措施，是将数字化矿工装备跟随矿工周期性的井上、井下工作方式，防止初级仪 表气敏传感器中毒，以及数字化矿工装备回到井上处在自然环境下，有害气体探测初级 仪表微处理器通过校准程序，可以自动校准有害气体探测传感器的零点，就能解决一直 是困扰有害气体探测初级仪表可靠应用的难题。 基于无线通信的煤矿安全信息移动终端，主要实现功能是有害气体、温度湿度等环 境参量的数据采集，终端与基站之间的通信，井下井上通话以及险情报警。有害气体即 瓦斯气体传感器t g s 6 8 1 2 与数字温湿度传感器s h t l l 完成对井下环境参数的检测、符 合z i g b e e 协议标准s z 0 5 系列嵌入式无线通信模块完成终端与基站之间的通信、语音芯 片m c l 4 l c 5 4 8 0 与话筒麦克等用于井下井上的实时通话。此外，显示灯电路显示终端 的工作状态，报警电路实现瓦斯浓度超限报警。a r m 7 t d m i 微处理器完成模拟和数字 传感器数据的采集、处理，自动通过嵌入式无线通信模块向基站或上位机发送相关信息、 接受并处理上位机相关命令、驱动状态指示灯、报警电路工作等。 1 4 论文的组织结构 论文整体组织结构安排如下： 第1 章“绪论 部分，阐述了课题目的和意义，介绍了课题相关的国内外研究情况 和进展，确定研究内容和说明组织结构。 第2 章“煤矿安全信息系统的总体设计”部分，首先介绍了煤矿安全监控系统，简 要的说明的整个系统构成及工作流程，然后阐述了终端系统的构成及功能。 第3 章“煤矿安全信息终端硬件电路的设计 ，详细阐述了终端系统的硬件开发过 程，这一章的研究内容主要包括( a ) 关键元器件的选用、传感器、z i g b e e 模块、语音芯 片以及微处理器的选型；( b ) 原理图的绘制、p c b 布局图的设计及元器件的采购焊接等。 第4 章“系统软件的设计与实现”，阐述了系统软件平台的搭建过程，l p c 系列微 控制器工程模板的使用、系统的配置和电路板的初始化。接着介绍了系统主程序的工作 流程，系统各部件的初始化，然后分别介绍了检测程序、终端与基站z i g b e e 无线收发 模块之间的通信程序和通信协议的研究与制定、语音通信软件的实现。 第5 章“基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的调试”介绍了系统调试过程、运 行情况、超级终端接收移动信息终端数据的情况及上位机运行时的界面等。 第6 章“总结与展望部分，总结了本文所取得的成果和重点解决的问题，提出了 系统的不足之处和今后进一步的研究方向。 6 硕二i 二论文基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实现 2 煤矿安全信息移动终端系统的总体设计 2 1 煤矿安全信息监控系统总体介绍 2 1 1 煤矿安全信息监控系统结构与功能 煤矿安全信息移动终端是煤矿安全信息监控系统的重要组成部分。下面总体介绍一 下煤矿安全监控系统。 移动式煤炭瓦斯监测及生产安全监管系统，是针对我国煤炭矿区规模的大小，以及 井下作业环境和安全生产要求，而研制的多功能无线通信数字化矿工装备。系统充分利 用当前先进的通信网络及信息技术，与监测监控系统紧密结合，实时现场采集数据，全 方位检测识别，全天候处理，通过基于无线z i g b e e 协议的井下组网将工人便携式安全 移动终端第一现场的采集数据发送到监控室。这可以保证许多地点尤其是危险性大的掘 进面的检测，因而其具有很好的实时性，对预防和井下监控非常有利。在监控室系统通 过c d m a 无线通讯模块连接远程数据监控中心并将瓦斯实时信息以短信的方式发送到 各级相关责任人手机中，为有效防范煤矿瓦斯事故提供辅助手段，达到群防群治的目的。 煤矿瓦斯监测系统及其无线短信( s m s ) 报警系统，通过标准的数据采集网关，实现了不 同的监测监控系统数据采集功能；通过移动通信的c d m a 网络，实现基于t c p i p 协议 的监测数据的远程无线传输。同时，通过短信( s m s ) 方式将报警信息发送到相关人员 的手机上【2 】【2 l 】【2 2 】【2 3 1 。 “ 煤矿安全监控系统包括井下安全信息采集移动终端、井下基站、基站控制器、上位 机及监控中心。矿井下网络中无线通信节点模块呈星状结构分布，基站用c a n 总线连 接，实现井上监控室到井下主巷道和分巷道工作面之间的通信，在监控室系统通过 c d m a 无线通讯模块连接远程数据监控中心和移动通信网络。井下移动通信终端与基 站收发部分采用基于z i g b e e 的无线通信技术，提供检测数据的传输和话音信息传输。 坑道中每隔一百米架设一个固定的网关设备( 基站) ，用c a n 总线相连，用于收集z i g , b e e 无线信号，并将收集到的数据通过有线方式传输到地面上的中央控制计算机。由于矿井 采掘面不断延伸，有线设备的架设不便及时跟进，所以应在采掘面附近采用z i g b e e 无 线中继设备( 无线网关) 将信号传输至相邻网关。无线网关还需要根据中央控制计算机 的指令为建立和启动网络这一过程设置参数，其中包括选择信道、唯一的网络标识符以 及一系列操作参数，并且完成由z i g , b e e 无线数据到有线传输数据格式的转换。 煤矿安全监控系统总体结构如图2 1 所示： 7 2 蝉矿安垒信息辖动终端幕缱总# 性*蝻l 论! 日 毫稍： 。日 鞫盎 妇弋 琶翰 幽2 1 煤矿安全信息监控系统 本课题所研究的用于煤矿井下的安全信息移动终端晟终完成时的效果图如图2 2 所 可检测 五斯每有害气体“8 “” 、- 一 一渤氮酲 k 圈2 2 煤矿安全信息移动终端 2 1 2 煤矿安全信息监控系统特点 煤矿安全信息监控系统具有如下特点： ( 1 ) 瓦斯探测与井下移动通讯功能兼备，守护矿工生命安全 煤矿安全信息移动终端将有害气体传感器、检测微处理器电路、c a n 总线、安全 信息移动通话终端等装置与矿工安全帽、矿灯进行整体设计，实现硬件的创新组合并 通过井下固定无线通讯基站( 井下每1 0 0 米左右布置一个，用于井下数据接收转发和通 话) 实现适时移动无线通讯，矿工安全数字化装各充一次电，可在作业时间内进行安令 硕士论文基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实现 信息通讯。无线通讯基站仍可通过现场基站控制器与安全管理中心机房进行语音通讯， 以及有害气体监测信息的传输。该项目的实施对煤矿井下“灾害预防、井下矿工作业、 人员分布、应急救灾 具有透明的信息化管理功能。 ( 2 ) “人机联防 促进形成新的安全生产管理模式 终端系统装备是一种新型的矿工随身配戴的数字化装备，可以跟随矿工的移动深入 到掘进面对有害气体进行监测，有害气体的相关数据信息将通过无线基站自动传送到安 全生产管理中心。同时，由矿工观察到的有关顶板、透水以及其它异常情况，也可及时 通过随身配备的无线通讯终端以语音的方式报告安全生产管理中心，为领导决策或专职 安全人员进行专业指导提供依据。以这种矿工安全数字化装备( 矿工+ 有害气体探测装 置+ 通讯装置) 的“人机联防 安全管理理念及安全监管网络平台，极大地发挥每位矿 工的安全生产主观能动性，有利于形成“人人都是安全员、事故灾害的检查员的群防 群控安全管理模式。 ( 3 ) 周期自适应校验，解决传感器钝化难题 由于煤矿井下环境条件恶劣，现有固定式瓦斯监测系统长期在井下安装，极易“钝 化”系统无法可靠长期工作，一直是影响“煤矿矿井瓦斯监测系统 安全维护、系统校 验、除尘等可靠应用的难题。 煤矿安全信息移动终端将微型化有害气体探测电路初级仪表设计在矿灯内，跟随矿 工工作周期，形成井下有害气体检测与井上自适应校准的新方法，保证了有害气体探测 初级仪表的校准与矿工工作周期的一致，形成了有害气体无钝化探测。同时安全信息终 端矿工装备在井上维护简单，能比较好地解决固定式瓦斯监测系统在井下环境诸多因素 影响下，导致系统不能可靠应用的难题。 ( 4 ) 自主知识产权造就核心优势 国内煤炭行业井下固定式瓦斯监测系统，存在可靠差、准确度低、功能单一的缺点， 事实证明其远远不能满足我国煤炭行业生产安全监管的需要。与国内外现有技术与产品 比较，“基于无线通信的煤矿安全信息移动终端 具有动态跟踪、适时通信、灵敏度高、 抗钝化等突出优势。通过该装备的推广应用，未来还可构建专业化的矿山安全管理运营 平台，填补数字网络通讯在矿山应急预案、应急救护信息化平台领域的应用空白。在产 业化生产及向国内外市场的推广上具有独特的核心竞争优势【2 j 。 ( 5 ) 经济性优秀，极具市场竞争力 数字化矿工装备生产所需原材料、元器件等均为常规材料及产品，货源充足、成本 低，因此本产品生产成本不高，可以带来较好的经济效益和社会效益，产品可靠性高、 安全性好、经济性优秀，这为产品进入市场、作为矿工常规装备普及应用降低了价格壁 垒【2 】o 9 2 煤矿安全信息移动终端系统的总体设计硕上论文 2 2 煤矿安全信息移动终端系统功能与结构 2 2 1 煤矿安全信息移动终端系统功能 煤矿安全信息移动终端系统具有以下功能： ( 1 ) 煤矿安全信息移动终端采集瓦斯气体浓度、环境温度和空气湿度等数据，数据 经过处理打包成符合一定协议的数据包，通过基于z i g b e e 的无线发射模块广播发送到 附近的有线基站( 或无线路由基站再转发至有线基站) 。基站接收到数据后将带有终端 地址编号信息的数据再打包，加上基站地址等信息通过c a n 总线发送到基站控制器。 基站控制器负责将数据的转发到监控室的上位机，上位机处理数据，解析数据含义。 ( 2 ) 女1 3 果瓦斯浓度超过规定数值，终端会初步判断并发出报警音提示工作人员及时 撤离现场。上位机也会对超标的有害气体浓度，透水事故做出判断，通过发送控制信息 及语音信息指导工作人员安全撤离并展开相应的救援工作。 ( 3 ) 系统具有语音通信功能，指挥中心的工作人员可以发语音信息通报矿井安全信 息，也可以接收井下工作人员的讲话，了解井下安全动态。系统定义了很多的控制字， 用于代表各种意义，例如需要接收终端特定数据、控制终端发出报警音等等控制终端状 态的情况都可以发送控制信息控制系统，使之处于相应的状态。 ( 4 ) 该网络还可实现人员定位功能，矿工的矿帽上安装一个带有固定编号的无线通 讯模块，将矿帽编号发送至附近无线通信节点( 基站) ，无线通信节点将该节点网络地址 和矿帽编号通过网络一起发送至井上监控室，上位机通过解析矿帽编号及无线节点的网 络地址即可判断该矿工所处的位置。 ( 5 ) 周期性调零功能，“煤矿安全信息移动终端”的有害气体探测电路可以跟随矿工 工作周期，周期性检测瓦斯气体浓度，周期性校准和调零，形成井下有害气体检测与井 上自适应校准的新方法。也就是将有害气体探测电路设计于矿工矿帽的电路板内，保证 有害气体探测初级仪表的校准与矿工工作周期相适应，每天矿工自身配备的安全信息通 讯终端在井下工作时，能自动进行有害气体探测，矿工回到地面时安全信息通讯终端能 进行自适应校准。 2 2 2 煤矿安全信息移动终端软硬件系统的构成 本课题侧重研究的主要内容是煤矿井下的煤矿安全信息移动终端的设计与实现、终 端和基站中无线通信模块的设计实现和z i g b e e 无线网络的组建。移动终端主要包括以 下几个部分： ( 1 ) 处理器模块 以支持实时仿真的1 6 3 2 位a r m 7t d m i sc p u 的微控制器l p c 2 1 0 3 为核心，核 心系统需要两组电源、系统时钟电路，复位电路及j t a g 电路。a r m 处理器主要作用 1 0 硕：卜论文 基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实现 是：对采集数据进行处理，转换为人能识别的数值，将瓦斯气体传感器输出的电压值转 换为气体浓度值，完成对瓦斯浓度传感器的零点校正；对湿度进行线性补偿和温度补偿； 计算露点；将采集到的环境参数数据通过串口输出至无线模块再发送出去；接收基站数 据时，当无线模块接收到一个完整的帧之后会引起接收中断，处理器使能接口，开始接 收数据，并在处理器内把收到数据进行解包，根据控制字信息辨别数据含义。 ( 2 ) 传感器检测模块 包括煤矿井下的有害气体浓度检测电路，温度湿度检测电路，输入电路包括矿用瓦 斯传感器t g s 6 8 1 2 、前置放大及滤波电路、数字温度湿度传感器。气体传感器输出信 号电压经放大器放大到合适的大小送入a r m 芯片，a r m 芯片内含a d 转换电路，将 输入电压转换为数字信号再经过进一步处理成为人能辨别的具体数据。温度湿度采集芯 片采用数字温湿度传感器s h t l l ，芯片输出为数字信号，通过1 2 c 接口送入a r m 处理 器。 ( 3 ) z i g b e e 无线通信模块 无线通信网络主要包括个人安全信息终端和基站两部分，但在分矿道距离较长、采 掘面不断延伸导致有线设备的架设不便及时跟进或不宣铺设有线网络的情况下，本系统 采用加装无线路由节点来扩展网络的方法，这样可以使网络覆盖整个矿道。如图2 3 所。 图2 3 基站与终端通信的网络结构图 ( 4 ) 语音通信模块 语音部分包括话筒、喇叭、语音芯片m c l 4 l c 5 4 8 0 、外部时钟电路，外部时钟电路 包括2 0 4 8 m h z 晶振、分频器s n 7 4 h c 4 0 6 0 、触发器c d 7 4 h c 7 3 等。 2 煤矿安伞信息移动终端系统的总体设计硕j j 论文 语音芯片m c l 4 l c 5 4 8 0 采用p c m ( 脉冲编码调制) 编码，芯片的p c m 输入、输 出电路分别接到a r m 处理器的s p i 引脚m i s 0 0 和m o s l 0 上用于传输p c m 数据。 ( 5 ) 按键、l e d 显示电路和报警电路 按键输入电路包括各种功能按键。按键是用来控制系统状态的，使用者可以通过按 下相应的键来控制终端工作。显示电路用于指示当前工作状态，包括电源指示灯、当前 系统工作状态指示灯和z i g b e e 模块工作状态指示灯。报警电路用于瓦斯报警，瓦斯浓 度超标时，报警灯和蜂鸣器触发，提示矿井工作人员及时撤离现场。 2 3z i g b e e 无线通信技术 z i g b e e 是一组基于i e e e 8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的、有关组网安全和应用软件 方面的技术，i e e e 8 0 2 15 4 仅处理m a c 层和物理层协议，z i g b e e 技术联盟对其网络层 协议和a p i 进行了标准化【2 4 】【2 6 】。 z i g b e e 以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、网状和簇状， 因此，每个节点功能并非都相同。为降低成本，系统中大部分节点为子节点，从组网上， 它只是其功能的一个子集，称谓半功能节点或精简功能节点( r f d ) ；而另外还有一些 节点负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之 为全功能节点( f f d ) ，z i g b e e 网络拓扑结构如图2 4 所示【2 5 】【2 6 】。 1 2 ， 星型 暑篡竺 精简功能设鲁 本课题之所以选用z i g b e e 技术是因为： ( a ) z i g b e e 无线的传输带宽在2 0 2 5 0 k b s 范围，适合传感器数据采集和控制数据的 传输；z i g b e e 技术的应用定位是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。适用于 硕上论文基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实现 设备成本低、传输的数据量小的场合。 c o ) z i g , b e e 无线技术适合组建w p a n 网络，可以组建大规模网络，网络节点容量达 到6 5 5 3 5 个，具有非常强大的组网优势；对于煤矿安全检测系统所需要较大范围的 通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。z i g b e e 无线技术是非常 理想的选择，对于煤矿安全监测系统无线设备的联网，对于数据采集和控制信号的 传输是非常合适的。 ( c ) 课题所涉及的安全终端设备体积小，在实际应用中没有充足的电源支持，不便 放置较大的充电电池或者电源模块。因此z i g b e e 技术特有的低功耗设计，可以保证 电池工作很长时间。 ( d ) 虽然实现语音通信不是z i g b e e 联盟最初的目标，但是，在许多领域( 如煤矿监 控，消防抢险) 中没有语音通信功能，将使其应用受到很大的局限。本论文正是考虑 到这一点，并考虑到z i g b e e 理论通信速率为2 5 0 k p s ，实际速率也能满足语音通信 要求的情况，充分利用本方案所选的c p u 的性能特性，以及很少的外围器件，很好 地实现了煤矿安全信息监控和语音通信等功能。 ( c ) 此外，z i g b e e 采取了i e e e 8 0 2 1 5 4 强有力的无线物理层所规定的全部优点；增 加了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术的一致化，利于产品的 互连互通；z i g b e e 继续与i e e e 紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决 方案【2 4 1 。 硕j l 论文基于无线通信的煤矿安全信息移动终端的实现 3 煤矿安全信息移动终端硬件电路的设计 3 1 硬件电路的系统设计 系统的硬件设计工作包括：( 1 ) 关键元器件的选用、传感器、z i g b e e 模块、语音芯 片以及微处理器的选型。( 2 ) 原理图的绘制、p c b 布局图的设计及元器件的采购焊接等。 煤矿安全信息检测终端主要由以下电路部分组成： 硬件系统构成如图3 1 所示： 瓦斯气体l 一信号调 传感器广1 理电路刮l e d j r a i u 订 = 刮 蜂鸣器 z i g b e e 无线模块k 处理 器及 外围 3 = 爿数! 弘温湿度传感器 电路 j 塑u 语音一h g = 爿 按键 芯片 、n 斗仉k 一 图3 1 硬件系统构成 根据煤矿安全信息系统对移动终端的要求，设计了电路原理图并制作了试验电路 板，电路原理图和p c b 板图见附录。 ( 1 ) 电源电路 主要是设计一个电源电路满足电路所需的5 v 电压和a r m 7 内核l p c 2 1 0 3 及外围 电路所需的3 3 v 和1 8 v 电压。 ( 2 ) c p u 及其外围电路 采用低电压、低功耗a r m 7 内核的l p c 2 1 0 3 处理器，设计一个最小化的l p c 2 1 0 3 内核系统电路。主要的外围电路包括复位和1 2 c 电路、时钟电路、j t a g 接口电路、u a r t 接口电路。 ( 3 ) 按键显示电路与报警电路 按键用来选择需要的功能，显示电路要显示系统状态和运行情况，报警电路用来在 瓦斯浓度超标后发出报警音和点亮l e d 报警灯提示工作人员及时撤离现场。 ( 4 ) 语音部分 电路包括语音电路和外部时钟电路。外部时钟电路包括2 0 4 8 m h z 的晶振