0 引言

　　煤礦井下瓦斯濃度突出會嚴重威脅工作人員的生命安全,對礦井瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測可以及時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)測多采用有線監(jiān)測的方式，由于井下巷道復雜，布線施工難度大，不易于維修，實際應用效果并不理想[1]。本文提出了一種基于ZigBee的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，利用ZigBee強大的自組網(wǎng)能力[2]在井下巷道中組成一個ZigBee無線網(wǎng)絡，將瓦斯檢測終端安裝在各個監(jiān)測節(jié)點上，利用ZigBee網(wǎng)絡完成井下通信，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控軟件中，實現(xiàn)煤礦井下瓦斯的實時監(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模塊構成的無線通信網(wǎng)絡中，ZigBee協(xié)調器節(jié)點將所有數(shù)據(jù)匯集，通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機監(jiān)控軟件。上位機監(jiān)控軟件可以實時顯示各個監(jiān)測節(jié)點的瓦斯?jié)舛龋瑪?shù)據(jù)實時寫入到數(shù)據(jù)庫中，當瓦斯?jié)舛瘸迺r發(fā)出聲光報警，并將報警信息以短信的形式發(fā)送到管理人員的手機上。

2 瓦斯檢測原理

　　瓦斯檢測采用恒溫檢測方法，即通過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。當瓦斯?jié)舛壬邥r，催化元件表面溫度升高，通過閉環(huán)反饋回路減小電流值以保持元件溫度恒定，通過測量電流變化量來實現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測。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)，為瓦斯體積分數(shù)，為熱傳導系數(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。當空氣中瓦斯?jié)舛葹?時，催化元件的工作電流記為I0，Ir=Q?？諝庵杏型咚箷r，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系。脈沖電流的大小與占空比成比例關系，故瓦斯?jié)舛扰c占空比成線性關系。所以可以通過測量占空比來獲得瓦斯?jié)舛鹊拇笮　?/p>

3 硬件電路設計

　　瓦斯信號采集終端結構圖如圖2所示，由主控器模塊、瓦斯檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、聲光報警模塊、顯示模塊、ZigBee終端節(jié)點、電源模塊7部分組成。

　　3.1 瓦斯檢測模塊設計

　　瓦斯檢測電路采用恒溫檢測方法，電路結構圖如圖3所示，主要由鋸齒波發(fā)生電路、電壓比較器、惠斯登檢測電橋、信號放大電路、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，通過惠斯登電橋獲取催化燃燒元件輸出的不平衡電信號Ue，由于信號比較小，采用LM358設計了三級運算放大電路，輸出的電壓信號Ub與鋸齒波Ua相比較之后輸出脈沖信號Ud。脈沖信號Ud經(jīng)由TL431設計的穩(wěn)幅電路處理之后幅值穩(wěn)定，直接驅動直流脈沖電流源，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送入單片機的外部中斷口測量占空比，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定時器組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，依靠電容C1的充放電過程，由射極跟隨器輸出鋸齒波，同時通過電容C3正反饋到R2上端，提高了鋸齒波的線性度[4]。調節(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算放大器和三極管設計，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上的反饋電壓通過運算放大器比較之后驅動三極管，形成了負反饋回路。

　　3.2 主控器及其他模塊設計

　　主控器選擇TI公司生產(chǎn)的低功耗MSP430F5438A單片機。為防止數(shù)據(jù)掉電丟失，采用存儲器芯片AT24C16設計了數(shù)據(jù)存儲模塊。當檢測到瓦斯?jié)舛瘸^設定的瓦斯上限時，單片機驅動由三極管、蜂鳴器、高亮度LED組成的聲光報警模塊動作。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，設計觸摸屏顯示界面，人機界面友好，便于操作。

4 ZigBee無線網(wǎng)絡設計

　　ZigBee無線網(wǎng)絡主要由終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點組成[5]。

　　采集終端節(jié)點分布在井下回風巷道及工作面各瓦斯監(jiān)測節(jié)點上，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微控制器內核、內存，集成了豐富的片上資源。ZigBee的終端節(jié)點通過TXD、RXD、GND分別與瓦斯信號采集終端的主控器的RXD、TXD、GND連接，即可將該節(jié)點組進ZigBee網(wǎng)絡中。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)點將數(shù)據(jù)依次轉發(fā)最終傳送到協(xié)調器節(jié)點上。路由器子節(jié)點選擇CC2530芯片。ZigBee協(xié)調器節(jié)點負責管理整個無線網(wǎng)絡，將各采集終端節(jié)點的數(shù)據(jù)匯集并通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)中。

5 軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件設計分為上位機監(jiān)控軟件和下位機軟件兩部分。上位機軟件采用NI公司的LabVIEW 2009[6]平臺開發(fā)，采用圖形化的編程語言，簡單方便。上位機軟件主要完成基本參數(shù)設置、不同監(jiān)測點的瓦斯?jié)舛葘崟r顯示、瓦斯?jié)舛瘸迗缶?、?shù)據(jù)庫存儲、報警短信通知功能。

　　下位機軟件包括瓦斯信號采集終端程序設計和ZigBee組網(wǎng)程序設計兩部分。圖6為瓦斯信號采集終端主程序流程圖。瓦斯信號采集終端通過采樣定時器定時采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理之后將瓦斯?jié)舛蕊@示，若出現(xiàn)濃度超限則發(fā)出報警信號，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡中。圖7為ZigBee組網(wǎng)程序流程圖。采用ZigBee的Z-Stack協(xié)議棧[7]編寫程序，簡單方便。

6 測試及結果

　　采用上述方法設計的瓦斯檢測裝置在實驗室進行了性能實驗。5個瓦斯監(jiān)測終端裝置，分別放入標準濃度為0.5%、1%、2.0%、3.0%、4.0%的密閉實驗裝置中，表1為某一時刻的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)。為驗證系統(tǒng)的可靠性，設定瓦斯報警限度為2.5%，試驗發(fā)現(xiàn)：1、2、3號裝置未發(fā)出報警信號，4、5號裝置均發(fā)出聲光報警信號。為測試ZigBee無線通信網(wǎng)絡的通信能力，在實驗樓道模擬井下巷道情況在多個房間內組建ZigBee網(wǎng)絡進行實驗，測試結果如表2所示。

　　通過多次實驗測試發(fā)現(xiàn)，瓦斯檢測的相對誤差低于2.5%，可以準確地測量到瓦斯的濃度。實驗發(fā)現(xiàn)ZigBee無線通信網(wǎng)絡在通信距離越遠數(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通信的要求。

7 結語

　　本文采用了恒溫檢測方法實現(xiàn)了瓦斯信號的采集，利用ZigBee技術組建了井下瓦斯監(jiān)測無線通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對井下各點的瓦斯數(shù)據(jù)的監(jiān)測，系統(tǒng)具有監(jiān)測精度高、通信可靠、易于擴展、安全性高的特點，適合在礦井下使用，有很強的實用價值。

　　參考文獻

　　[1] 王海斌，邵廣賢.基于ZigBee的瓦斯檢測節(jié)點的設計與研究[J].煤礦機械，2014，35(5)：233-235.

　　[2] 朱紅梅，惠曉威.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2012(10)：70-72.

　　[3] 劉志存.催化元件變流檢測礦井瓦斯[J].傳感器技術，2003，22(11)：24-26.

　　[4] 徐偉，行鴻彥.基于555定時器的高線性度鋸齒波發(fā)生器[J].儀表技術與傳感器，2006(7)：39-40，50.

　　[5] 王晨輝，孟慶佳.基于PIC32和ZigBee的地質災害監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2014，40(2)：68-70.

　　[6] 盧志燕，李如江，劉高健，等.基于ZigBee和LabVIEW的礦井監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2014，35(3)：200-202.

　　[7] 白成林，馬珺.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術應用，2014，40(3)：82-85，89.