煤矿井环境参数监测系统设计探究

煤矿井环境参数监测系统设计探究

摘要:针对煤矿井下过高的温度、湿度、粉尘浓度、流量等引起的安全问题,设计了一种基于无线传感器的煤矿环境参数监测系统。由传感节点、ZigBee模块、微控制器和上位机组成。利用传感器模块、微处理器、ZigBee模块组成无线传感器网络,实现数据的实时采集、处理和传输功能;利用LabVIEW软件编写监控界面,以显示参数的大小并进行预警。实验验证了该系统能够对环境参数实时检测,温度,湿度,粉尘浓度、流量的相对误差小于5%,并且超过阈值时可以预警。

关键词:煤矿井下;环境参数监测;无线传感网络;预警;LabVIEW

煤矿安全监测系统在煤矿生产安全过程中发挥着巨大的作用,其中煤矿井下环境参数检测系统是其重要的组成部分。传统的煤矿井下安全环境监测系统都采用有线网络的传输方式,随着采矿的深入,下井不会随时的铺设电缆。随着无线通信技术的发展,国内外研究学者将无线传感器网络应用到煤矿井下。本文设计了基于无线传感器网络的煤矿井下环境参数监测系统,微控制器将传感器采集到的温湿度、粉尘浓度和流量数据信息进行处理,利用ZigBee模块进行信息传输,通过用LabVIEW编写的上位机界面进行数据直观的显示。

1系统设计

基于无线传感器的煤矿井下环境参数监测系统由硬件和软件两个部分组成:硬件部分包括传感器监测模块、ZigBee无线通讯模块与微控制器模块配置三个方面,主要用于环境参数的监测,将采集到的数据进行处理,并且通过ZigBee网络发送到上位机进行显示;软件部分主要是使用LabVIEW建立显示界面,记录温度、湿度、流量和粉尘浓度等数据,并将数据以Excel形式保存到本地,便于数据的查询与追溯,当超过所设阈值时,进行报警。系统基本功能包括煤矿井下温度、湿度、流量以及粉尘浓度的监测、显示、预警以及数据的统计。

2系统硬件的设计

2.1硬件选型。基于无线传感器的煤矿井下环境参数监测系统主要硬件包括温湿度传感器、流量传感器、粉尘传感器、ZigBee无线传感器模块、微处理器。传感器采集的信息对井下环境参数监控系统至关重要,本文选用DHT11数字型号的温湿度传感器,如图1(a)所示,他将温度监测和湿度监测整合到一起,是一款复合型传感器,测湿精度±5%,测温精度±2℃,其干扰能力强、响应速度快,成本低,功耗小,适合煤矿井下使用。流量传感器选择的是霍尔流量传感器,实物图如图2所示。霍尔流量传感器主要由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。它装在流量进入端,用于监测进水的流量,当水流转子组件上有水流通过时,转子的磁性转子随之发生转动并且转速会跟随着流量的大小变化而产生变化,此时霍尔传感器输出端输出与之大小相关的脉冲信号并发送数据到微控制器,由控制器程序处理后变成实质性的流量大小数据,从而判断水流量的大小,进行调控。微控制器是整个监测系统前期数据的控制处理核心,监测系统的设计对需要采集的数据方面具有极高的准确性和稳定性上面的要求,选用意法半导体公司的STM32F103C8T6微控制器,如图3(a)所示,它具有省电低功耗和作业要求低抗性高的优质特点,可在-40℃至+85℃的温度内均可正常工作。ZigBee无线通讯模块选用DL-20无线通信串口模块,它具有8种不同的波特率,可以实现点对点双向收发,发射功率达4.5DBm,最远通讯距离为250m,适用于煤矿井下恶劣环境。

2.2ZigBee无线通信网络。无线传感器网络是在井下大量部署的传感器节点、微控制器、ZigBee模块及上位机组成,实时监测井下温湿度、流量和粉尘浓度信息,并根据采集的数据进行警报。本设计采用网状型的ZigBee网络拓扑结构,该结构支持自动路由、动态组网和直接扩频,各个传感器之间进行双向通信,该网络具有多跳、自愈性等优点,满足工业自动化的要求,也完全满足设计要求。ZigBee按照Zig-Bee2007协议进行编写。

3系统软件的设计

系统软件的整体设计:如图4所示为本监测系统整体软件流程图。(1)系统上电后,先将控制器模块进行初始化,配置模块的引脚、时钟和输入输出方式等。(2)微控制器接收处理传感器的信息,并发送至ZigBee串口模块。(3)上位机ZigBee模块接收信息,上位机通过串口读取模块数值并显示,与阈值进行对比。(4)如超限则报警并保存数据,若不超限,正常显示并保存数据。

4系统整体实验

无线传感器采集数据的精确性直接影响井下是否安全,为了验证无线传感器的采集精确度和系统通信的可靠性,在室内对系统的整体性能进行试验。

5结论

设计了一种基于无线传感器的井下环境参数监测系统,采用多种传感器和STM32微控制器对井下环境实时监测,利用ZigBee模块实现数据信息和上位机的双向通信,实现对煤矿井下温度、湿度、粉尘浓度和流量的实时监控。分别设定温度、湿度、粉尘浓度、流量的上限阈值,通过上位机进行警报和文字提示使工作人员能够及时进行降温、降湿、除尘等措施,保证井下的安全。系统的软件部分采用C语言作为平台的开发,对STM32单片机进行相关的程序设计,并且进行数据的处理,利用LabVIEW对监测到的数据进行实时显示,并且以Excel表格的形式保存到本地,为工作人员查询井下环境参数记录提供了方便。通过对无线环境参数监测系统试验,验证了系统的实用性和准确性。

作者:张纪堂 顾新宇 史俊文 左翠彬 王善培 代传鹏 李继明 许传诺 陈坤 程学珍 单位:临沂会宝岭铁矿有限公司山东科技大学