矿井综合安全监测系统的研制

２ 射频模块设计
射频 ＲＦ（ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ） 技术是一种无线通信技术， 其利用电磁波 为载波来传输信息。ＲＦ 技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据， 相 邻 的 ＷＬＡＮ（ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｌｏｃａｌ－ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ） 用 不 同 频 率 ， 可 以 在 低 功 率 的情况下工作于 ＩＳＭ（ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ／Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ／Ｍｅｄｉｃａｌ） 频段。目前使用的射频 芯片大多工作在 ４３３／８６８／９１５／２４００ ＭＨｚ 频段， 在 ２．４ ＧＨｚ 的高频段， 服务 器与终端之间的通信速率可达 １２ Ｍｂ／ｓ， 而且这个频段 由 于 干 扰 小 ， 在 绝 大部分国家都不受无线管制。
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传感器 传感器 传感器
分站 １ ＭＳＰ４３０Ｆ１２３
分站 ２ ＭＳＰ４３０Ｆ１２３
分站 Ｎ ＭＳＰ４３０Ｆ１２３
ｎＲＦ９０５ 发射芯片 １ ｎＲＦ９０５ 发射芯片 ２ ｎＲＦ９０５ 发射芯片 Ｎ
中心接收模块 ｎＲＦ９０５ 接收芯片
报警装置 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９
管理中心 上位机
ＧＰＲＳ模 块 ＧＳＭ 网
各个矿井分站的各种传感器采集到相应数据后， 将采集到的数据经 Ａ／Ｄ 转 换 后 送 单 片 机 （ ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２） 处 理 ， 送 到 无 线 射 频 发 射 模 块 （ ｎＲＦ９０５） 将分站的数据传输到矿井附近 的 主 控 制 模 块 。 各 个 矿 井 分 站 的结构图见图 ２。 １．２ 硬件的选择
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斛福荣 矿井综合安全监测系统的研制
本刊 Ｅ－ ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ 科技研讨
１．２．３ 传感器的选择 传感器是自动检测和自动控制的首要环节， 所以选取适当的传感器
是非常必要的， 在本系统中，针对不同的采集对象采用了不同的传感器来 采集数据。
矿井瓦斯的主要成分是甲烷（ ＣＨ４） 是严重威胁矿井井下安全生产的 自然因素之一， 在国内矿井安全事故中， 瓦斯爆炸事故造成的伤亡占所 有重大事故伤亡人数的 ５０％以上， 成为实现安全生产的最大障碍。对瓦 斯的检测选用了低功耗瓦斯传感器 ＵＬ－ ２６４， 它是用新型材料 研 制 的 热 传 导 式 气 体 传 感 器 。其 工 作 原 理 是 当 被 测 气 体 的 成 分 不 变 而 浓 度 发 生 变 化时， 浓度与电阻值变化成线性比例关系， 具有性能优良、稳定可靠的特 点， 它的工作温度低、工作电流小、元件寿命长不存在催化剂中毒现象，在 全量程内（ ０％￣１００％） 线性好，且非线性误差很小。
选用 ＡＤ 公司的 １６ 位 Ａ／Ｄ 转换芯片 ＡＤ７７１８， 它内部带有数字滤波 器 ， 具 有 抑 制 干 扰 功 能 ， 对 于 ５０ Ｈｚ 的 工 频 干 扰 在 第 一 陷 波 位 置 已 衰 减 １８０ ｄＢ， 这样可有效抑制工频干扰。ＡＤ７７１８ 的模拟输入可直接与传感器 相 连 ， 数 字 接 口（ 标 准 ＳＰＩ 接 口） 直 接 与 单 片 机 相 连 ， 并 在 模 拟 输 入 前 设 计了一个简单的滤波电路， 输入范围根据信号实际情况设置片内的 ＰＧＡ 放大倍数确定。
粉尘监测有多种粉尘监测仪器， 如粉尘采样器、测尘仪等， 其中最 先 进 的 是 粉 尘 浓 度 传 感 器 。粉 尘 浓 度 测 量 主 要 是 利 用 光 散 射 测 量 的 原 理 来 进 行 ， 它 主 要 由 光 学 测 量 暗 室 、抽 气 泵 、流 量 计 、过 滤 器 和 ＰＩＣ１６Ｆ８８７ 单 片机为主的数据处理和控制电路组成。
中图分类号： ＴＤ７６
文献标识码： Ａ
近 年 来，我 国 矿 难 事 故 频 繁 发 生 ， 每 年 事 故 死 亡 人 数 达 ６ ０００ 人 ， 给 人民生命财产造成重大损失， 矿井安全问题已成为影响煤炭工业生产以 至于社会稳定的重大问题。矿井监测监控技术的开发和应用， 在国内于 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 初 期 起 步 ， 随 着 传 感 技 术 、数 字 通 信 技 术 、控 制 技 术 、计 算机技术和网络技术的迅速发展， 至今已得到广泛的发展和应用。国内 已通过自主开发和对引进系统的改造， 研制出多种系列的矿井监测监控 系统， 但由于现有设备造价高， 大多数小型煤矿难以承受， 而一般安全事 故多发生在小型地方煤矿的生产过程中， 因此， 我们研制了一种价格低、 性 能 可 靠 、容 量 适 中 且 便 于 安 装 维 护 的 小 型 矿 用 计 算 机 综 合 安 ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＆ ＥＣＯＮＯＭＹ
２００７ 年 第 １７ 卷 第 ３３ 期
文章编号： １００５－ ６０３３（ ２００７） ３３－ ０１５３－ ０３
收稿日期： ２００７－ １０－ ０８
矿井综合安全监测系统的研制
斛福荣
（ 中阳县安全生产监督管理局， 山西中阳， ０３３４００）
多个分站的发射芯片可以根据射频配置的地址码区分开来， 从而实 现多个发射模块同时向主模块发送数据的目的。
天线是电磁波沿传输线路和在空间中进行传播的接口， 是通信路径 中非常重要的一部分。天线是无源器件， 因此发射天线所辐射的功率不
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可能比来自发射机并进入天线的功率更大， 实际上， 由于损耗的存在， 前 者总是比后者要小。天线是互易器件， 就是说， 同一种设计既可以用作发 射天线， 也可以用作接收天线， 性能都一样的好， 在无线通信中， 通常是 同一天线既用作发射， 也用作接收。一个良好的天线需要考虑频带、阻 抗、增益等问题。在使用中， 电路天线部分可使用差分连接的环形天线， 即把天线布在 ＰＣＢ 板上，这可减小系统的体积， 地网层在底面， 板顶层元 件的周围也有接地面， 以确保临近元件的充分接地。
ｎＲＦ９０５ 是同类型中比较优秀的射频芯片， 采用 ＦＳＫ（ Ｆｒｅｑｕｒｎｃｙ－ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ） 调制方式工作， 直接收发方式， 即通过串行接口与微控制器相连， 工 作 于 ４３３／８６８／９１５ ＭＨｚ， 具 有 载 波 检 测 功 能 ， 当 存 在 外 部 干 扰 时 ， 这 个 功能便于实现自动跳频。可自动产生前导码和 ＣＲＣ， 可以很容易通过 ＳＰＩ 接口进行编程配置， 电流消耗很低， 在 发 射 功 率 为－ １０ ｄＢｍ 时 ， 发 射 电 流 为 １１ ｍＡ， 接 收 电 流 为 １２．５ ｍＡ， 进 入 ＰＯＷＥＲＤＯＷＮ 模 式 可 以 很 容 易 实 现节电。ｎＲＦ９０５ 片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率 合成器、功率放大器等模块， 曼彻斯特编码／解码由片内硬件完成， 无需用 户对数据进行曼彻斯特编码， 因此使用非常方便。
ＥＣ２１Ｂ 风向风速传感器。由于风速传感器输出的是频率信号，需要将 它转换为电压信号， 所以选用了美国国家半导体公司推出的频率／电压转 换芯片 ＬＭ２９１７，只需接少量的外围元件即可将频率转换为电压信号送入 ＡＤ 转 换 器 中 。 传 感 器 数 据 输 出 为 ０ Ｖ￣５ Ｖ， 将 风 向 传 感 器 输 出 连 接 在 ＡＤ７７１８ 的 ＡＩＮ４ 上，单片机可读取经过 Ａ／Ｄ 转换得到的码盘脉冲编码，从 而得到风向数据。测量风速采用三杯式感应器， 风杯由碳纤维增强塑料 制成， 风杯带动光电码盘转动。用光电转换装置产生脉冲信号， 其转换电 路采用多孔金属片和光电管的转换电路， 产生正比于风速的频率信号输 出。
ＧＰＲＳ模 块
图 １ 系统总体结构图
ＣＯ传感器 粉尘浓度传感器 风向风速传感器
瓦斯传感器 调理电路
Ａ／Ｄ 转换器
信号转换
温度传感器
ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２
ｎＲＦ９０５ 发射芯片
图 ２ 各个矿井分站的结构图
Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ） ， 也称为混合信号处理器， 它把许多模拟电路、数字电路 和微处理器集成在一个芯片上。ＭＳＰ４３０ 系列单片机采用 １．８ Ｖ～３．６ Ｖ 低 电 压 供 电 ， 可 将 ＣＰＵ 置 于 省 电 模 式 ， 用 中 断 方 式 唤 醒 程 序 ； 有 高 性 能 模 拟 技 术 及 丰 富 的 片 上 外 围 模 块 ， 运 行 环 境 温 度－ ４０ ℃～＋８５ ℃， 具 有 处 理 能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便、工作稳定等优点，具 有 很 高 的 性价比。 １．２．２ 模数转换器的选择
ＴＧＳ２４４２ 对 ＣＯ 十 分 敏 感 ， 所 以 非 常 适 合 ＣＯ 检 测 ， 在 ＣＯ 存 在 的 情 况下，传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大， 使用简单的脉冲电 压电路，以 １ ｓ 的循环驱动，就可以把与该气体浓度相对应的输出信号转 换为电导率。它具有低功耗、尺寸小、抑制了对酒精的灵敏度、对 ＣＯ 选泽 性 高 、长 寿 命 、低 成 本 、受 温 度 影 响 小 的 特 点 。
１ 系统设计
安 全 监 测 信 息 主 要 包 括 气 体 信 息 、温 度 信 息 、风 力 信 息 等 。本 系 统 设 计为井下的监测传感器不断采集数据， 采用数字滤波技术将信号瞬间波 动过滤掉，合格信号存入相应存储单元， 在矿井内采用无线数据传输方 式传输信号。由于在一个大矿井中，存在多个小分矿，且相互之间距离都 不远， 所以先利用射频技术将各分矿的数据收集至一处， 然后利用 ＧＰＲＳ 通过 ＧＳＭ 将数据传输至管理中心和管理人员手机上， 以达到实时监测 各矿井分站， 实现方便、有效且经济传输的方式， 使系统对井下的相关参 数 进 行 集 中 、自 动 和 连 续 监 测 。 １．１ 系统结构
系统总体由各种传感器、无线射频模块、中心控制器、ＧＰＲＳ 模块、管 理中心上位机组成。图 １ 为系统总体结构图。图中各分站通过安装在井 下 的 各 种 传 感 器（ 如 ＣＨ４， ＣＯ， Ｈ２Ｓ， Ｏ２， ＳＯ２， ＮＯ２， ＮＨ３ 以 及 风 速 、负 压 、温 度 等） ， 实 时 检 测 相 关 参 数 经 单 片 机（ ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２） 处 理 ， ｎＲＦ９０５ 无 线 射频发射模块（ 使用 ４３３ ＭＨｚ 频 段） 将 分 站 的 数 据 传 输 到 矿 井 附 近 的 主 控 制 模 块 。 主 控 制 模 块 中 单 片 机（ ＭＳＰ４３０Ｆ１４９） ， 通 过 同 样 的 射 频 芯 片 ｎＲＦ９０５ 接 收 到 各 分 站 的 各 种 指 标 数 据 ， 通 过 ＧＰＲＳ 模 块（ 通 过 ＧＳＭ 网 络） 实时发送至管理中心上位机和管理人员的手机上， 管理中心 ＧＰＲＳ 模块通过串口与上位机相连， 数据正常时可设置为每隔 １ ｈ 发送一份数 据，当数据不正常（ 即可能出现危险情况） 时启动报警装置并 立 即 发 送 数 据。