文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)03-0065-03
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(fù)雜,布線施工難度大,不易于維修,實際應(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(luò),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(luò)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(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)中,ZigBee協(xié)調(diào)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?,?shù)據(jù)實時寫入到數(shù)據(jù)庫中,當(dāng)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(dāng)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(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,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(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。所以可以通過測量占空比來獲得瓦斯?jié)舛鹊拇笮 ?/p>
3 硬件電路設(shè)計
瓦斯信號采集終端結(jié)構(gòu)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(shè)計
瓦斯檢測電路采用恒溫檢測方法,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(shè)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(shè)計的穩(wěn)幅電路處理之后幅值穩(wěn)定,直接驅(qū)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(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算放大器和三極管設(shè)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(qū)動三極管,形成了負反饋回路。
3.2 主控器及其他模塊設(shè)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(shè)計了數(shù)據(jù)存儲模塊。當(dāng)檢測到瓦斯?jié)舛瘸^設(shè)定的瓦斯上限時,單片機驅(qū)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(shè)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(luò)設(shè)計
ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點組成[5]。
采集終端節(jié)點分布在井下回風(fēng)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(nèi)核、內(nèi)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(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)點將數(shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)發(fā)最終傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點上。路由器子節(jié)點選擇CC2530芯片。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)管理整個無線網(wǎng)絡(luò),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(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)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(shè)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(shè)計和ZigBee組網(wǎng)程序設(shè)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(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]編寫程序,簡單方便。
6 測試及結(jié)果
采用上述方法設(shè)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(biāo)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(shè)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(luò)的通信能力,在實驗樓道模擬井下巷道情況在多個房間內(nèi)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行實驗,測試結(jié)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(luò)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(jié)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(shù)組建了井下瓦斯監(jiān)測無線通信網(wǎng)絡(luò),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
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