任 淵 李 寧 王李管 賈明濤

(1.巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015099;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)

基于WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井通風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)

任 淵1李 寧2王李管2賈明濤2

(1.巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015099;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)

通過采用超低功耗微控制器MSP430F149設(shè)計(jì)出便攜式WiFi傳感器，負(fù)責(zé)對礦井巷道內(nèi)各類有毒有害氣體濃度的采集、處理、存儲以及管理；再利用交換機(jī)和綜合基站并以光纖為傳輸介質(zhì)，建立WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了便攜式WiFi傳感器采集的數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet之間進(jìn)行傳輸與轉(zhuǎn)換；為礦山采場及巷道特別是掌子面和獨(dú)頭巷道的通風(fēng)環(huán)境遠(yuǎn)程在線監(jiān)測提出一種可靠的解決方案，有效避免了因在不了解具體環(huán)境參數(shù)的情況下爆破作業(yè)后盲目進(jìn)行其他作業(yè)而造成的安全事故，并且在礦山的實(shí)際運(yùn)用中獲得良好的效果，確保了礦山企業(yè)安全生產(chǎn)，同時(shí)極大地提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。值得運(yùn)用和推廣。

礦井通風(fēng) 在線監(jiān)測 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 便攜式WiFi傳感器

通風(fēng)系統(tǒng)[1-2]是礦山八大系統(tǒng)之一，其主要功能是為井下輸入新鮮風(fēng)流，排出粉塵、炮煙以及其他有毒有害氣體等污風(fēng)流，擔(dān)負(fù)著井下工人生命安全和礦井安全生產(chǎn)的重任，因此對礦井通風(fēng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測顯得十分必要和緊迫[3]。WiFi(無線相容性認(rèn)證)是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的品牌，在短距離無線通訊中得到廣泛運(yùn)用，通過配合既有的有線架構(gòu)來分享網(wǎng)絡(luò)資源，具有成本低，架構(gòu)方便、快捷等特點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4-5](WSN)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的便攜式WiFi傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并通過綜合通訊平臺把信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，便于進(jìn)行正確合理的決策。本研究采用16位超低功耗微控制器MSP430F149，構(gòu)建了基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的礦井通風(fēng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，并通過WiFi綜合通訊基站和以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)了WSN與Internet之間的數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)已在某礦的“六大系統(tǒng)”建設(shè)中廣泛使用，取得了良好的效果，是一種比較理想的礦井通風(fēng)監(jiān)測解決途徑。

1 WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

金屬礦山井下生產(chǎn)環(huán)境有其自身的特點(diǎn)，由于爆破振動、機(jī)械設(shè)備撞擊等因素的影響，必須使得網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此對硬件設(shè)備的質(zhì)量也提出更高的要求[6-7]。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

該傳輸平臺主要由位于地表監(jiān)控中心的核心交換機(jī)、井下匯聚層交換機(jī)、多功能綜合基站以及便攜式WiFi傳感器等4部分組成。其中便攜式WiFi傳感器負(fù)責(zé)采集井下環(huán)境中各類有毒有害氣體(CO濃度、NO2濃度等)以及溫度和氧氣濃度等信息，多功能綜合基站負(fù)責(zé)接收采集的有毒有害氣體等信息，并通過核心交換機(jī)和匯聚層交換機(jī)把信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務(wù)器。多功能綜合基站與便攜式WiFi傳感器通過WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外，核心交換機(jī)和匯聚層交換機(jī)還負(fù)責(zé)將WSN網(wǎng)絡(luò)接入Internet，實(shí)現(xiàn)對井下通風(fēng)環(huán)境的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測[8]。

礦內(nèi)客戶端由PC主機(jī)、客戶端軟件和后臺運(yùn)行的服務(wù)器端軟件組成。其中服務(wù)器端軟件負(fù)責(zé)讀取和存儲便攜式WiFi傳感器采集的有毒有害氣體的信息，而數(shù)據(jù)的顯示、分析、處理以及控制指令的生成則由客戶端軟件負(fù)責(zé)，從而有效的避免數(shù)據(jù)丟失和多用戶訪問時(shí)，數(shù)據(jù)不同步、不一致的問題[9]。服務(wù)器端軟件和客戶端軟件的功能模塊如圖2、圖3所示。

圖2 服務(wù)器端軟件功能模塊

2 便攜式WiFi傳感器

2.1 便攜式WiFi傳感器結(jié)構(gòu)

便攜式WiFi傳感器由傳感器模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，通訊模塊和電源供應(yīng)模塊5部分構(gòu)成，傳感器模塊包括溫度傳感器、氧氣傳感器、有毒有害氣體濃度傳感器及其信號處理電路。溫度傳感器為數(shù)字信號輸出，無需A/D轉(zhuǎn)換；有毒有害氣體傳感器[10]輸出為μA級的電流信號，經(jīng)由信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為0～2.5 V的模擬電壓信號，由微控制器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器采集。儀器配備了5路有毒有害氣體傳感器接口，能夠同時(shí)采集輸出5種有毒有害氣體的濃度數(shù)據(jù)。

圖3 客戶端軟件功能模塊

控制處理模塊[11]采用超低功耗高集成度的微控制器MSP430F149，負(fù)責(zé)儀器對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲以及管理人機(jī)交互模塊、通信模塊和電源模塊。人機(jī)交互模塊包括數(shù)據(jù)顯示和按鍵輸入。數(shù)據(jù)顯示采用工業(yè)專用TFT彩屏，能夠顯示實(shí)時(shí)操作和采集的數(shù)據(jù)。

通信模塊[12]采用了低功耗高級程度的SoC芯片CO2128，負(fù)責(zé)完成儀器的全部通信需求。CO2128 SoC芯片使用了1個(gè)ARM7處理器，內(nèi)部集成了Flash和SRAM等存儲器，內(nèi)部集成了UART、SPI、USB v2.0 Full-Speed Host and Device、10/100BaseT Ethernet MAC和802.1lb/g的MAC/PHY層。802.1lb/g的MAC/PHY層主要負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，該芯片支持IEEE802.11b/g/n等協(xié)議棧。在此SoC的基礎(chǔ)上外接了10/100BaseT Ethernet PHY，配備了WiFi天線和USB-B接口，儀器同時(shí)具備了無線WiFi，有線網(wǎng)絡(luò)和USB通信功能，能夠滿足井下復(fù)雜環(huán)境的通訊要求。

電源模塊采用了低功耗設(shè)計(jì)，選用低功耗芯片，可關(guān)機(jī)斷電。儀器內(nèi)部配備了一塊可充電2 400 mAh聚合物鋰電池，采用了低壓差低靜態(tài)電流的電源芯片LT1963。儀器的外部充電電壓為5 VDC，內(nèi)部工作電壓為3.3 VDC。其工作流程圖如圖4所示。

2.2 傳感器模塊信號處理

便攜式WiFi傳感器[13]固件采用C語言進(jìn)行開發(fā)，為了有利于模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)編寫和測試，在模塊設(shè)計(jì)方面盡量將功能細(xì)分，使得模塊具有高聚合，低耦合的特性。

圖4 便攜式WiFi傳感器工作流程

CO，NO2等傳感器為三電極電化學(xué)傳感器，它們的信號調(diào)理電路除了增益外其他均相同；O2傳感器為兩電極電化學(xué)傳感器，自身能夠穩(wěn)定供電，不需要外部恒壓電路。

O2信號處理及IV變換如圖5所示，輸出信號VOut1

VOut1=Is1×(R98+(R96+R97))/(R96·R97), (1)

其中，Is1為O2傳感器輸出電流，R98、R96、R97為轉(zhuǎn)換電阻。

圖5 采集的O2信號處理電路

CO，NO2等的信號處理及IV變換采用標(biāo)準(zhǔn)電路，如圖6所示，輸出信號VOut2

VOut2=Is2×(R84+(R78+R81))/(R78·R81), (2)

其中，Is2為CO，NO2等氣體傳感器輸出電流，R84、R78、R81為轉(zhuǎn)換電阻。

2.3 傳感器測量地點(diǎn)信息的預(yù)輸入

在存儲測量值時(shí)要選定測量的地點(diǎn)，以便上位機(jī)接收到測量結(jié)果時(shí)可以還原數(shù)據(jù)的測量點(diǎn)，所以在存儲時(shí)選擇測量點(diǎn)的操作要簡潔。經(jīng)過對礦山實(shí)地考察研究后得出礦山是一個(gè)多巷道多分支的結(jié)構(gòu)，因此可采用C語言的多叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示礦山的實(shí)際結(jié)構(gòu)。此樹是一個(gè)深度和節(jié)點(diǎn)都不確定的多叉樹，所以如何將多叉樹以數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行構(gòu)造并在小內(nèi)存限制的情況下進(jìn)行遍歷就顯得尤為重要，因此在實(shí)際操作中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的遍歷必須在存儲器中進(jìn)行，在設(shè)計(jì)上采用如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示每1個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖6 采集的CO信號處理電路

每個(gè)節(jié)點(diǎn)所占存儲空間最大是24個(gè)字節(jié)，每個(gè)AT24C512可以存儲2 730個(gè)節(jié)點(diǎn)，完全可以滿足礦井巷道預(yù)測點(diǎn)的信息容量需求。

2.4 傳感器采集數(shù)據(jù)的存儲

為了使便攜式WiFi傳感器存儲空間最大化，在硬件配置上采用4片AT24C512和1片SPI接口的FLASH作為存儲空間。可以根據(jù)實(shí)際情況對存儲空間大小進(jìn)行裁剪。SPI接口的FLASH采用MCU IO口進(jìn)行模擬與其通訊。AT24C512通過I2C接口與MCU IO口進(jìn)行連接，IO口采用模擬I2C的方式通訊，4片AT24C512可配置為不同的地址。每次保存的測量結(jié)果在每1條數(shù)據(jù)里面都帶有充分的信息。

從上述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以得出每次測量保存所占用的FLASH空間是46個(gè)字節(jié)，選用4 M的flash來存儲測量結(jié)果可以存儲91 180條，如果按1 s 1次進(jìn)行存儲，可以存儲25.33 h，完全滿足保證1 d井下測量數(shù)據(jù)不被覆蓋的要求。配置參數(shù)選擇保存在AT24C512中，存儲分配結(jié)構(gòu)如圖7所示。

ABCDEFG

圖7 存儲分配結(jié)構(gòu)

Fig.7 Storage and allocation structure

其中,A～G依次表示為表示標(biāo)識便攜式WiFi傳感器的初始化信息；便攜式WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)配置信息；便攜式WiFi傳感器的通道與各氣體傳感器對應(yīng)信息；便攜式WiFi傳感器出廠信息；便攜式WiFi傳感器測量結(jié)果存儲FLASH的信息；Reserved；預(yù)測點(diǎn)參數(shù)信息。

3 應(yīng)用實(shí)例

在獲各琦銅礦的“六大系統(tǒng)”建設(shè)中，廣泛使用了便攜式WiFi傳感器，建立礦井通風(fēng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在監(jiān)控中心電腦上顯示如圖8的監(jiān)測界面。

圖8 監(jiān)測界面

在測量時(shí)要能最大化真實(shí)地反映出圖8的聯(lián)系變化趨勢，那么便攜式WiFi傳感器的采樣頻率和采樣結(jié)果更新顯示頻率的選擇至關(guān)重要。本實(shí)例中，選擇采樣頻率是40 Hz，更新顯示頻率是500 ms 1次，對氣體的A/D轉(zhuǎn)換的采樣采用定時(shí)器A自動進(jìn)行，定時(shí)器A定時(shí)采用40 Hz的頻率自動對氣體通道的A/D值進(jìn)行轉(zhuǎn)換并把得到的值自動放置到一個(gè)緩沖區(qū)中，然后測量線程每500 ms從緩沖區(qū)中取值進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換并顯示。

4 結(jié) 論

(1)采用超低功耗微的控制器MSP430F149設(shè)計(jì)出便攜式WiFi傳感器，具有一次使用時(shí)間久、可靠性高，壽命長等特點(diǎn)，使用方便、快捷。

(2)通過客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)的體系結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)采集與顯示、分析和處理2個(gè)過程相分離，使得兩者互不影響，不會造成數(shù)據(jù)的漏采，同時(shí)有效避免多個(gè)程序訪問硬件，增加硬件的負(fù)擔(dān)，從而避免了數(shù)據(jù)丟失和多用戶訪問時(shí)，數(shù)據(jù)不同步、不一致的問題。

(3)通過實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證，該系統(tǒng)為礦山的通風(fēng)環(huán)境的監(jiān)測起到了應(yīng)有的作用，在掌子面以及獨(dú)頭巷道的通風(fēng)環(huán)境監(jiān)測中效果尤為明顯，及時(shí)了解了掌子面和獨(dú)頭巷道的有毒有害氣體的信息，避免了因爆破作業(yè)后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定巷道內(nèi)有毒有害氣體濃度信息而進(jìn)行其他作業(yè)所造成的安全事故，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Mine Ventilation Monitoring System Based on WiFi Sensor Network

Ren Yuan1Li Ning2Wang Liguan2Jia Mingtao2

(1.Western Bayannaoer Copper Co.，Ltd.，Bayannaoer 015099，China;2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

A portable WiFi sensor based on the ultra-low power consumption controller MSP430F149 is designed for the acquisition，processing，storage，and management of various toxic and hazardous gases concentration.The switch and general base station，with optical fiber as the transmission media，is used to establish a WiFi sensor network.This network is capable of realizing transmission and conversion of data acquired by this portable WiFi sensor between WSN and the Internet，providing a solid solution for online monitoring of ventilation environment for the stope and the tunnel especially for both the tunnel face and single end tunnel.Its application can effectively avoid accidents due to blindly operation when necessary parameter concerning the environment is scarce.This network has been applied in certain metal mine and produced satisfactory effects in ensuring safe production and expanding economic interests.Therefore，this network is supposed to be applied and promoted.

Mine ventilation，Online monitoring，Wireless sensor network，Portable WiFi sensor

2014-09-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(編號：2011AA060407)。

任 淵(1985—)，男，工程師。通訊作者 李 寧(1986—)，男，博士研究生。

TD672

A

1001-1250(2014)-11-117-04