0 引言

　　煤礦井下瓦斯濃度突出會(huì)嚴(yán)重威脅工作人員的生命安全,對(duì)礦井瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)可以及時(shí)了解井下的瓦斯含量，避免安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測(cè)多采用有線監(jiān)測(cè)的方式，由于井下巷道復(fù)雜，布線施工難度大，不易于維修，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想[1]。本文提出了一種基于ZigBee的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用ZigBee強(qiáng)大的自組網(wǎng)能力[2]在井下巷道中組成一個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將瓦斯檢測(cè)終端安裝在各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成井下通信，通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控軟件中，實(shí)現(xiàn)煤礦井下瓦斯的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)組成

　　礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)由地面上位機(jī)監(jiān)控軟件和井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。礦井各巷道中分布著瓦斯信號(hào)采集終端，采集終端將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接蒢igBee模塊構(gòu)成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)匯集，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛龋瑪?shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并將報(bào)警信息以短信的形式發(fā)送到管理人員的手機(jī)上。

2 瓦斯檢測(cè)原理

　　瓦斯檢測(cè)采用恒溫檢測(cè)方法，即通過(guò)改變催化燃燒元件供電的電流值使元件表面溫度保持恒定。當(dāng)瓦斯?jié)舛壬邥r(shí)，催化元件表面溫度升高，通過(guò)閉環(huán)反饋回路減小電流值以保持元件溫度恒定，通過(guò)測(cè)量電流變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)。催化燃燒元件的靜態(tài)熱平衡方程[3]：

　　式中I為元件工作電流，r為元件阻值，為瓦斯氧化燃熱系數(shù)，為瓦斯體積分?jǐn)?shù)，為熱傳導(dǎo)系數(shù)，S為元件面積，t1為元件溫度，t0為環(huán)境溫度，A為輻射系數(shù)，?滓為角系數(shù)。

　　在恒溫檢測(cè)中，由于采取閉環(huán)系統(tǒng)，催化元件溫度t1不變，環(huán)境溫度t0不變，式(1)右邊不變，記為Q。當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛葹?時(shí)，催化元件的工作電流記為I0，Ir=Q?？諝庵杏型咚箷r(shí)，催化元件的工作電流記為I：

　　由式(2)可知：

　　催化元件的供電電源選擇脈沖寬度可調(diào)的直流電流源，脈沖電流的有效值為：

　　式中Im為脈沖電流的幅值，T為脈沖電流的周期。由式(3)、(4)可知瓦斯的濃度與電流的大小成線性關(guān)系。脈沖電流的大小與占空比成比例關(guān)系，故瓦斯?jié)舛扰c占空比成線性關(guān)系。所以可以通過(guò)測(cè)量占空比來(lái)獲得瓦斯?jié)舛鹊拇笮　?/p>

3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　瓦斯信號(hào)采集終端結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由主控器模塊、瓦斯檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、聲光報(bào)警模塊、顯示模塊、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、電源模塊7部分組成。

　　3.1 瓦斯檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

　　瓦斯檢測(cè)電路采用恒溫檢測(cè)方法，電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要由鋸齒波發(fā)生電路、電壓比較器、惠斯登檢測(cè)電橋、信號(hào)放大電路、穩(wěn)幅電路、直流脈沖電流源6部分組成。

　　瓦斯傳感器選擇MJC4/2.5L 型催化元件，通過(guò)惠斯登電橋獲取催化燃燒元件輸出的不平衡電信號(hào)Ue，由于信號(hào)比較小，采用LM358設(shè)計(jì)了三級(jí)運(yùn)算放大電路，輸出的電壓信號(hào)Ub與鋸齒波Ua相比較之后輸出脈沖信號(hào)Ud。脈沖信號(hào)Ud經(jīng)由TL431設(shè)計(jì)的穩(wěn)幅電路處理之后幅值穩(wěn)定，直接驅(qū)動(dòng)直流脈沖電流源，使電源工作在間歇狀態(tài)，為催化燃燒元件供電。將穩(wěn)幅電路輸出的脈沖信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷口測(cè)量占空比，便可獲得瓦斯的濃度。

　　鋸齒波發(fā)生電路如圖4所示，采用NE555定時(shí)器組成無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，依靠電容C1的充放電過(guò)程，由射極跟隨器輸出鋸齒波，同時(shí)通過(guò)電容C3正反饋到R2上端，提高了鋸齒波的線性度[4]。調(diào)節(jié)電阻R1、R2，電容C1的值使鋸齒波的頻率為1 kHz。

　　直流脈沖電流源采用運(yùn)算放大器和三極管設(shè)計(jì)，圖5為直流脈沖電流源電路圖。穩(wěn)幅電路輸出的電壓Ug與采樣電阻R12上的反饋電壓通過(guò)運(yùn)算放大器比較之后驅(qū)動(dòng)三極管，形成了負(fù)反饋回路。

　　3.2 主控器及其他模塊設(shè)計(jì)

　　主控器選擇TI公司生產(chǎn)的低功耗MSP430F5438A單片機(jī)。為防止數(shù)據(jù)掉電丟失，采用存儲(chǔ)器芯片AT24C16設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。當(dāng)檢測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸^(guò)設(shè)定的瓦斯上限時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)由三極管、蜂鳴器、高亮度LED組成的聲光報(bào)警模塊動(dòng)作。供電采用7.2 V鋰電池，配有3.3 V、5 V穩(wěn)壓電路。顯示模塊采用TFT觸摸屏，設(shè)計(jì)觸摸屏顯示界面，人機(jī)界面友好，便于操作。

4 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成[5]。

　　采集終端節(jié)點(diǎn)分布在井下回風(fēng)巷道及工作面各瓦斯監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上，采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。CC2530芯片主要包含CC2530RF收發(fā)器、8051微控制器內(nèi)核、內(nèi)存，集成了豐富的片上資源。ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)TXD、RXD、GND分別與瓦斯信號(hào)采集終端的主控器的RXD、TXD、GND連接，即可將該節(jié)點(diǎn)組進(jìn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中。由于ZigBee在井下的通信距離比較短，數(shù)據(jù)傳輸需要增加路由器子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)發(fā)最終傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上。路由器子節(jié)點(diǎn)選擇CC2530芯片。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將各采集終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯集并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)中。

5 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件采用NI公司的LabVIEW 2009[6]平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用圖形化的編程語(yǔ)言，簡(jiǎn)單方便。上位機(jī)軟件主要完成基本參數(shù)設(shè)置、不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)顯示、瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、報(bào)警短信通知功能。

　　下位機(jī)軟件包括瓦斯信號(hào)采集終端程序設(shè)計(jì)和ZigBee組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)兩部分。圖6為瓦斯信號(hào)采集終端主程序流程圖。瓦斯信號(hào)采集終端通過(guò)采樣定時(shí)器定時(shí)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理之后將瓦斯?jié)舛蕊@示，若出現(xiàn)濃度超限則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中。圖7為ZigBee組網(wǎng)程序流程圖。采用ZigBee的Z-Stack協(xié)議棧[7]編寫(xiě)程序，簡(jiǎn)單方便。

6 測(cè)試及結(jié)果

　　采用上述方法設(shè)計(jì)的瓦斯檢測(cè)裝置在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)。5個(gè)瓦斯監(jiān)測(cè)終端裝置，分別放入標(biāo)準(zhǔn)濃度為0.5%、1%、2.0%、3.0%、4.0%的密閉實(shí)驗(yàn)裝置中，表1為某一時(shí)刻的瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，設(shè)定瓦斯報(bào)警限度為2.5%，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1、2、3號(hào)裝置未發(fā)出報(bào)警信號(hào)，4、5號(hào)裝置均發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。為測(cè)試ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力，在實(shí)驗(yàn)樓道模擬井下巷道情況在多個(gè)房間內(nèi)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

　　通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，瓦斯檢測(cè)的相對(duì)誤差低于2.5%，可以準(zhǔn)確地測(cè)量到瓦斯的濃度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在通信距離越遠(yuǎn)數(shù)據(jù)的丟包率越高，50 m為最佳通信距離，數(shù)據(jù)傳輸正確率高，符合煤礦井下巷道對(duì)通信的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

　　本文采用了恒溫檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了瓦斯信號(hào)的采集，利用ZigBee技術(shù)組建了井下瓦斯監(jiān)測(cè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下各點(diǎn)的瓦斯數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)精度高、通信可靠、易于擴(kuò)展、安全性高的特點(diǎn)，適合在礦井下使用，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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