基于ZigBee通信的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計

1 引言

實時了解井下瓦斯濃度是煤礦安全生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1給出瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。它由地面監(jiān)控中心、井下ZigBee傳輸網(wǎng)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(wǎng)絡將數(shù)據(jù)進行中繼傳輸，逐級路由最終到達地面監(jiān)控中心，實現(xiàn)動態(tài)顯示、分析及其他處理。

該系統(tǒng)根據(jù)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，采?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/ZigBee">ZigBee獨有的Mesh型網(wǎng)絡模式，逐級路由自動鏈接網(wǎng)絡中繼器進行數(shù)據(jù)傳遞。當網(wǎng)絡中最優(yōu)的通信路徑發(fā)生故障時，Mesh網(wǎng)絡會在冗余的其他路徑中重新選擇最合適的路徑供數(shù)據(jù)通信。因此，Mesh網(wǎng)絡有效縮短了信息傳輸?shù)难訒r，并提高了網(wǎng)絡通信的可靠性。基于Zigbee技術(shù)的FFD路由節(jié)點除負責發(fā)送本節(jié)點的數(shù)據(jù)外，還負責轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)至中心節(jié)點，從而形成無線通訊網(wǎng)絡。

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)布置于試驗現(xiàn)場中，主要任務包括：多組數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)以較高的采樣率將傳感器傳送來的模擬信號通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)能實時分析采集的多路傳感器數(shù)據(jù)，對結(jié)果進行決策并規(guī)劃執(zhí)行序列；緊急處理，分析結(jié)果，若出現(xiàn)甲烷超標突破安全范圍等危險或其他故障現(xiàn)象時，可控制報警系統(tǒng)報警；數(shù)據(jù)通信。瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(gòu)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(chǎn)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?shù)表示，并且在5％～16％之間容易發(fā)生事故，必須建立Vadc與濃度百分數(shù)之間的逼近線性關(guān)系，使得最終的表述值也為相應的百分數(shù)。經(jīng)實驗獲得標定的瓦斯?jié)舛劝俜謹?shù)為：

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(tǒng)的瓦斯?jié)舛葯z測范圍確定為0％～50.5％。