煤矿井下安全监控系统的研究硬件部分(附件)
我国人口众多，是世界上最大的煤炭生产和消费国。虽然新能源技术在快速的发展，但是煤炭仍然在能源消费中扮演重要角色，煤矿的安全开采依然很重要。煤矿开采中复杂多变的井下环境使得煤矿事故时有发生，不仅威胁到了矿工们的生命，也危害到我国国民经济和社会发展。本文设计了一种基于CC2530的矿井安全监控系统，能够实时监测井下的环境参数，并在井上终端显示和报警。本系统分为井上协调器和井下传感器节点两个部分，并通过ZigBee 技术进行无线传输网络的构建。当井下传感器节点检测的环境参数正常时，协调器上显示正常值；当井下环境参数异常，超过了安全阀值时，系统及时显示报警，驱动蜂鸣器和应急措施。经过模拟环境测试，本系统基本达到了预期设计要求。关键词 数据采集，CC2530，ZigBee技术，无线传输网络 目 录
1 绪论 1
2 煤矿井下安全监控系统的总体设计方案 3
2.1 煤矿井下安全监控系统的功能及要求 3
2.2 煤矿井下安全监控系统的总体设计思路 4
2.3 煤矿井下安全监控系统的整体结构 4
2.4 煤矿井下安全监控系统的工作原理 5
2.5 煤矿井下安全监控系统的结构框图 6
3 煤矿井下安全监控系统的硬件设计 7
3.1 协调器硬件设计 7
3.2 传感器节点硬件设计15
4 系统调试18
4.1 调试过程18
4.2 调试遇到的问题及解决方案20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录 A 协调器原理图 25
附录 B 传感器节点原理图 26
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
煤炭工业是一个国家的重要经济基础。煤炭行业的高利润带来了高风险，使得安全事故在煤炭行业时有发生，煤炭行业的安全应当引起我们社会与国家的重视[1]。煤炭的生产大多数是在井下进行的，而且我国国土资源丰富，地质环境变化较复杂，使得井下开采容易遇到恶劣的地质环境，所以生产过程中一直存在着高风险因素，据统计我国47%矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井，27%矿井水文地质条件极复杂,增加了
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义
煤炭工业是一个国家的重要经济基础。煤炭行业的高利润带来了高风险，使得安全事故在煤炭行业时有发生，煤炭行业的安全应当引起我们社会与国家的重视[1]。煤炭的生产大多数是在井下进行的，而且我国国土资源丰富，地质环境变化较复杂，使得井下开采容易遇到恶劣的地质环境，所以生产过程中一直存在着高风险因素，据统计我国47%矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井，27%矿井水文地质条件极复杂,增加了煤矿开采的难度。随着煤矿开采深度的增加，冲击地压危害、热害等安全生产问题层出不穷，因此对煤矿的开发应该科学合理并且走可持续发展道路。
在煤炭生产过程中，灾害种类较多，主要有矿井自身建设缺陷导致的坍塌事故、
水灾、火灾、瓦斯危害等。尤其是瓦斯爆炸经常出现，并且一旦发生，损失很难挽回。
因此，对煤矿井下生产的各种环境参数及各种生产运营设备的运行状态进行检测与控
制是非常必要的[2、3]。
本课题中的煤矿井下安全监控系统，主要通过对井下瓦斯浓度、风速、温度、水
仓水位的监控与数据分析处理，做出相应的预警与处理，从而提高煤矿井下的安全系
数，减少经济损失和人员伤亡。在煤矿生产过程中，对煤矿井下瓦斯浓度进行检测是
是为了保障煤炭安全生产，是矿井现代化管理的要求。其次，井下排水系统也是
非常重要的，它担负着井下积水排除的重要任务。准确及时地获取水仓水位的高度信
息以及排水泵的各项参数从而确定排水泵的开停，并且在水位超限等情况下产生报
警，对于合理安排电机运转、保障水位具有重要的现实意义[4]。
1.2 课题在国内外发展状况
矿井安全监控技术自20世纪60年代，随着信息传输技术的进步，至今已有四代
产品。监控系统的发展阶段可以按以下进行划分[5][6]:第一代是按照一对测点之间用一
对传输电缆来对信息进行传输的，即空分制；第二代传输信道按照频率来划分，即频
分制传；第三代系统主要应用了分布式微处理器技术以及采用了时分制传输方式；第
四代矿井安全监控系统具有开放性、集成性、网络化等特点，它鲜明的表明了时代发
展的需要，是生产力的发展对科学技术提出更高要求的表现。
我国监控技术应用起步比较晚,起步于上世纪八十年代。上世纪八十年代，我国
煤矿产业陆陆续续从国外先后引进了多套各种类型的煤矿井下安全监控系统。在引进
的同时，我们不断的消化和吸收，研制出了自己的各种不同型号的安全监控系统，并
投入应用到了在我国的煤矿产业中。例如：由北京航空部研发的KJ4系统[7]，上海嘉
利矿山电子公司的KJ92系统[8]、煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90系统[9]，由常州
自动化所研发的KJ22和A-1系统以及后来九十年代各个研究所及设备厂研发的KJ6
系统、KJ95N系统[10]，这些监控系统更加智能化、人性化，都已经达到了世界同期领
先水平，为煤矿开采提供了更高水平的生产安全保障。至今我国矿井监控系统已实现
从引进、消化的过程，这些过程带动了大批科研人员的研究积极性，现在国家有能力
自主研发这类监控系统。实践表明，煤矿安全监控系统在煤矿的安全生产和管理中起
到了极其重要的作用。煤矿相关管理部门还颁发了一系列强制的规定和章程，这在很
大程度上提升了煤矿安全监控系统的标准化速度，也会促进社会对安全生产方法的技
术研究。
目前，我国安全监控通信系统正朝着以下趋势更快更稳的发展：
(1)系统的网络化。为完成每个矿井相互的资源共享，可配置计算机网络，按既定格式朝外界发送监测数据。
(2)通信协议的规范化。为完成网络的兼容性，可以研发适合的通讯技术，规定一致的通信标准。
(3)传感器的安全性和可靠性。
(4)软件的智能化。开发专家诊断、专家决断系统软件，能根据被测数据进行有效的危险性判断、剖析，可以在发生事故时及时提出最佳救援线路。
在西方国家，监控系统由现场监测分站和控制中心这两个部门组成。监控系统从原来单一模式的的监测系统向综合自动化方向发展。
1.3 本课题的研究方法和主要工作
通过查阅相关资料，对课题的总体深度了解并掌握课题中涉及到的原理。确定系统实现方案，并绘制出相应的系统原理示意图、硬件结构框图，设计硬件原理图，设计与制作电路板，再结合软件进行系统调试，最终完成课题的设计任务。本系统分为井上协调器和井下传感器节点两个部分，它们通过Zigbee模块无线数据传输，并且都有各自的独立电源模块。它的特点是体积小、功耗低、成本低、操作简单、性能稳定、工作可靠。
论文共分为五个章节，各章节的主要内容如下：
第一章 了解此课题的研究发展背景与意义以及此课题在国内外的研究发展情况，明确课题研究方法和各项主要工作。
第二章 介绍矿井
1 绪论 1
2 煤矿井下安全监控系统的总体设计方案 3
2.1 煤矿井下安全监控系统的功能及要求 3
2.2 煤矿井下安全监控系统的总体设计思路 4
2.3 煤矿井下安全监控系统的整体结构 4
2.4 煤矿井下安全监控系统的工作原理 5
2.5 煤矿井下安全监控系统的结构框图 6
3 煤矿井下安全监控系统的硬件设计 7
3.1 协调器硬件设计 7
3.2 传感器节点硬件设计15
4 系统调试18
4.1 调试过程18
4.2 调试遇到的问题及解决方案20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录 A 协调器原理图 25
附录 B 传感器节点原理图 26
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
煤炭工业是一个国家的重要经济基础。煤炭行业的高利润带来了高风险，使得安全事故在煤炭行业时有发生，煤炭行业的安全应当引起我们社会与国家的重视[1]。煤炭的生产大多数是在井下进行的，而且我国国土资源丰富，地质环境变化较复杂，使得井下开采容易遇到恶劣的地质环境，所以生产过程中一直存在着高风险因素，据统计我国47%矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井，27%矿井水文地质条件极复杂,增加了
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义
煤炭工业是一个国家的重要经济基础。煤炭行业的高利润带来了高风险，使得安全事故在煤炭行业时有发生，煤炭行业的安全应当引起我们社会与国家的重视[1]。煤炭的生产大多数是在井下进行的，而且我国国土资源丰富，地质环境变化较复杂，使得井下开采容易遇到恶劣的地质环境，所以生产过程中一直存在着高风险因素，据统计我国47%矿井属于高瓦斯或瓦斯突出矿井，27%矿井水文地质条件极复杂,增加了煤矿开采的难度。随着煤矿开采深度的增加，冲击地压危害、热害等安全生产问题层出不穷，因此对煤矿的开发应该科学合理并且走可持续发展道路。
在煤炭生产过程中，灾害种类较多，主要有矿井自身建设缺陷导致的坍塌事故、
水灾、火灾、瓦斯危害等。尤其是瓦斯爆炸经常出现，并且一旦发生，损失很难挽回。
因此，对煤矿井下生产的各种环境参数及各种生产运营设备的运行状态进行检测与控
制是非常必要的[2、3]。
本课题中的煤矿井下安全监控系统，主要通过对井下瓦斯浓度、风速、温度、水
仓水位的监控与数据分析处理，做出相应的预警与处理，从而提高煤矿井下的安全系
数，减少经济损失和人员伤亡。在煤矿生产过程中，对煤矿井下瓦斯浓度进行检测是
是为了保障煤炭安全生产，是矿井现代化管理的要求。其次，井下排水系统也是
非常重要的，它担负着井下积水排除的重要任务。准确及时地获取水仓水位的高度信
息以及排水泵的各项参数从而确定排水泵的开停，并且在水位超限等情况下产生报
警，对于合理安排电机运转、保障水位具有重要的现实意义[4]。
1.2 课题在国内外发展状况
矿井安全监控技术自20世纪60年代，随着信息传输技术的进步，至今已有四代
产品。监控系统的发展阶段可以按以下进行划分[5][6]:第一代是按照一对测点之间用一
对传输电缆来对信息进行传输的，即空分制；第二代传输信道按照频率来划分，即频
分制传；第三代系统主要应用了分布式微处理器技术以及采用了时分制传输方式；第
四代矿井安全监控系统具有开放性、集成性、网络化等特点，它鲜明的表明了时代发
展的需要，是生产力的发展对科学技术提出更高要求的表现。
我国监控技术应用起步比较晚,起步于上世纪八十年代。上世纪八十年代，我国
煤矿产业陆陆续续从国外先后引进了多套各种类型的煤矿井下安全监控系统。在引进
的同时，我们不断的消化和吸收，研制出了自己的各种不同型号的安全监控系统，并
投入应用到了在我国的煤矿产业中。例如：由北京航空部研发的KJ4系统[7]，上海嘉
利矿山电子公司的KJ92系统[8]、煤炭科学研究总院重庆分院的KJ90系统[9]，由常州
自动化所研发的KJ22和A-1系统以及后来九十年代各个研究所及设备厂研发的KJ6
系统、KJ95N系统[10]，这些监控系统更加智能化、人性化，都已经达到了世界同期领
先水平，为煤矿开采提供了更高水平的生产安全保障。至今我国矿井监控系统已实现
从引进、消化的过程，这些过程带动了大批科研人员的研究积极性，现在国家有能力
自主研发这类监控系统。实践表明，煤矿安全监控系统在煤矿的安全生产和管理中起
到了极其重要的作用。煤矿相关管理部门还颁发了一系列强制的规定和章程，这在很
大程度上提升了煤矿安全监控系统的标准化速度，也会促进社会对安全生产方法的技
术研究。
目前，我国安全监控通信系统正朝着以下趋势更快更稳的发展：
(1)系统的网络化。为完成每个矿井相互的资源共享，可配置计算机网络，按既定格式朝外界发送监测数据。
(2)通信协议的规范化。为完成网络的兼容性，可以研发适合的通讯技术，规定一致的通信标准。
(3)传感器的安全性和可靠性。
(4)软件的智能化。开发专家诊断、专家决断系统软件，能根据被测数据进行有效的危险性判断、剖析，可以在发生事故时及时提出最佳救援线路。
在西方国家，监控系统由现场监测分站和控制中心这两个部门组成。监控系统从原来单一模式的的监测系统向综合自动化方向发展。
1.3 本课题的研究方法和主要工作
通过查阅相关资料，对课题的总体深度了解并掌握课题中涉及到的原理。确定系统实现方案，并绘制出相应的系统原理示意图、硬件结构框图，设计硬件原理图，设计与制作电路板，再结合软件进行系统调试，最终完成课题的设计任务。本系统分为井上协调器和井下传感器节点两个部分，它们通过Zigbee模块无线数据传输，并且都有各自的独立电源模块。它的特点是体积小、功耗低、成本低、操作简单、性能稳定、工作可靠。
论文共分为五个章节，各章节的主要内容如下：
第一章 了解此课题的研究发展背景与意义以及此课题在国内外的研究发展情况，明确课题研究方法和各项主要工作。
第二章 介绍矿井
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