基于ZigBee通信的瓦斯監(jiān)測系統設計

1 引言

實時了解井下瓦斯濃度是煤礦安全生產的一個重要因素。由于煤礦開采深度和開采規(guī)模的加大，各項有線檢測設備很難及時跟進，造成井下的實時環(huán)境數據難以及時傳送到地面監(jiān)控中心，特別是在突發(fā)災難時各種有線通信設備幾乎處于癱瘓狀態(tài)，給救援工作帶來極大困難。因此，尋找一種在任何時刻都能及時采集井下環(huán)境信息的方法就顯得尤為重要。在此，探討了瓦斯采集終端和無線通信模塊CC2420的設計。

2系統總體結構

圖1給出瓦斯監(jiān)測系統的總體結構。它由地面監(jiān)控中心、井下ZigBee傳輸網絡和瓦斯采集終端等組成。其設計思想是利用不同的瓦斯采集終端對各采集點進行瓦斯采集，通過建立的Mesh無線通信網絡將數據進行中繼傳輸，逐級路由最終到達地面監(jiān)控中心，實現動態(tài)顯示、分析及其他處理。

該系統根據可靠數據傳輸的需要，采用ZigBee獨有的Mesh型網絡模式，逐級路由自動鏈接網絡中繼器進行數據傳遞。當網絡中最優(yōu)的通信路徑發(fā)生故障時，Mesh網絡會在冗余的其他路徑中重新選擇最合適的路徑供數據通信。因此，Mesh網絡有效縮短了信息傳輸的延時，并提高了網絡通信的可靠性。基于Zigbee技術的FFD路由節(jié)點除負責發(fā)送本節(jié)點的數據外，還負責轉發(fā)其他節(jié)點的數據至中心節(jié)點，從而形成無線通訊網絡。

瓦斯監(jiān)測系統布置于試驗現場中，主要任務包括：多組數據采集，系統以較高的采樣率將傳感器傳送來的模擬信號通過A／D轉換器轉換成數字信號；數據處理，系統能實時分析采集的多路傳感器數據，對結果進行決策并規(guī)劃執(zhí)行序列；緊急處理，分析結果，若出現甲烷超標突破安全范圍等危險或其他故障現象時，可控制報警系統報警；數據通信。瓦斯監(jiān)測系統具備較高的波特率和穩(wěn)定的無線通信功能，且與地面指揮監(jiān)控中心的遠程上位機保持井下采集數據的實時通信。

3.1瓦斯采集終端設計

瓦斯采集終端采用的瓦斯傳感器是熱催化元件，也稱為燃燒式載體催化元件，其檢測原理用催化元件、補償元件和橋臂電阻構成惠斯頓電橋。由于熱催化元件的骨架是鉑絲材料，給電橋加一恒定電壓，電流流過時加熱，使溫度最高達到500℃。因此，當遇到瓦斯氣體時，瓦斯氣體接觸催化元件表面發(fā)生氧化反應，即無焰燃燒，產生大量的熱量，使催化元件溫度升高，阻值增大，電橋輸出不平衡電壓，即反映出被測瓦斯的濃度變化。催化型瓦斯傳感器檢測電路如圖2所示。

在煤礦安全規(guī)程中，瓦斯?jié)舛鹊母叩筒捎冒俜謹当硎?，并且?％～16％之間容易發(fā)生事故，必須建立Vadc與濃度百分數之間的逼近線性關系，使得最終的表述值也為相應的百分數。經實驗獲得標定的瓦斯?jié)舛劝俜謹禐椋?br />

式中，0.001 6為修正值，設計過程中規(guī)定：當瓦斯?jié)舛冗_到6％時，MCU發(fā)出預報警信號；當瓦期濃度達到16％時，Vadc＞VH即2.85 V時，MCU發(fā)出危險報警信號?？紤]到突發(fā)事故，整個系統的瓦斯?jié)舛葯z測范圍確定為0％～50.5％。