《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ZigBee的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)研究
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
顧 強1,仉 毅2,劉斌斌1,趙 麗1,殷凡姣1
1.山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,山東 青島266590; 2.山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院,山東 青島266590
摘要: 針對傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測方法的不足,提出了一種采用ZigBee技術(shù)的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。分析了瓦斯?jié)舛群銣貦z測方法的原理,根據(jù)檢測原理設(shè)計了瓦斯信號采集終端裝置,采用ZigBee模塊組建了無線通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了對井下瓦斯含量的實時監(jiān)測,當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r會及時報警并短信通知管理人員。試驗測試發(fā)現(xiàn):該系統(tǒng)的瓦斯檢測精度高,數(shù)據(jù)傳輸可靠,具有很強的實用性。
關(guān)鍵詞: 瓦斯 ZigBee CC2530 催化元件
中圖分類號: TP368
文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)03-0065-03
Research of methane monitoring system based on ZigBee
Gu Qiang1,Zhang Yi2,Liu Binbin1,Zhao Li1,Yin Fanjiao1
1.College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China
Abstract: To overcome the shortage of traditional gas monitoring systems, a monitoring system based on ZigBee is designed. In this paper, a gas signal acquisition terminal device is presented. After the principle is introduced, the wireless communication network with ZigBee module is set up, then the real-time monitoring of mine gas concentration is realized. When the gas concentration overruns, alarm and SMS notification management can be timely notified to the personnel. Final test results show that the detection system is of high precision and reliable data transmission and has a wide application prospect.
Key words : methane;ZigBee;CC2530;catalytic sensor


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


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  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]:

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  式中I為元件工作電流,r為元件阻值,11.jpg為瓦斯氧化燃熱系數(shù),22.jpg為瓦斯體積分數(shù),33.jpg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:

  2.png

  由式(2)可知:

  3.png

  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:

  4.png

  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


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  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


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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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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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